Μελέτη και αξιολόγηση οπτό-ηλεκτρονικού THz φασματογράφου λειτουργίας συνεχούς κύματος με διαμόρφωση συχνότητας (FMCW) για μετρήσεις πάχους

Abstract

Η ακτινοβολία THz αξιοποιείται σε μια πληθώρα επιστημονικών τομέων και ερευνητικών κλάδων, όπως η βιολογία, η φαρμακευτική, η επιστήμη υλικών, η ανάλυση αερίων, ο μη καταστροφικός έλεγχος δειγμάτων και η φασματογραφία. Η παρούσα διπλωματική σχετίζεται με τα φασματόμετρα, τα οποία αποτελούν γενικά συσκευές που χρησιμοποιούνται για να διαχωρίσουν και να εκτιμήσουν φασματικά χαρακτηριστικά ενός φυσικού φαινομένου. Στα THz φασματόμετρα, διακρίνουμε δύο βασικές κατηγορίες: συστήματα όπου το οπτικό πεδίο είναι ένας σύντομος παλμός (pulsed wave ή time domain spectroscopy - TDS) και συστήματα στα οποία εκπέμπεται συνεχές κύμα (continuous wave spectroscopy - CW). Σαν κύρια στοιχεία τους έχουν έναν οπτικό πομπό, έναν οπτικό δέκτη και ηλεκτρονικά στοιχεία για την απόκτηση και επεξεργασία της πληροφορίας. Συνήθως, σε τέτοια συστήματα, ο αρχικός παλμός εξόδου του λέιζερ διασπάται σε δύο μονοπάτια. Έτσι, στον δέκτη «συνδυάζεται» ένα σήμα αναφοράς με το σήμα από τον πομπό, αφού έχει αλληλεπιδράσει με κάποιο δείγμα προς μελέτη. Τα τελευταία χρόνια με την ανάπτυξη λέιζερ συνεχούς κύματος, οι συσκευές συνεχούς κύματος αρχίζουν να κάνουν αισθητή την παρουσία τους, έχοντας ως βασικά πλεονεκτήματα την απλή αρχιτεκτονική και το χαμηλό κόστος. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η τεχνική κατά την οποία η συχνότητα διαμορφώνεται (FMCW), καταργώντας την ανάγκη για διαμορφωτές φάσης. Αυτή η τεχνική χρησιμοποιείται και στη μελέτη μας, κατά την οποία αναλύουμε για πρώτη φορά μαθηματικά και μοντελοποιούμε στο προγραμματιστικό περιβάλλον MATLAB, τη λειτουργία ενός φασματόμετρου συνεχούς κύματος για τη μέτρηση πάχους, βασισμένοι στην αντίστοιχη διάταξη που έχει μελετηθεί πειραματικά στο Ινσιτούτο “Fraunhofer HHI” και χρησιμοποιώντας την τεχνολογία που αναπτύσσεται στα πλαίσια του ευρωπαϊκού πρότζεκτ POLYNICES. Με αυτόν τον τρόπο κατανοούμε σε μεγαλύτερο βάθος τη λειτουργία της συσκευής και κυρίως του δέκτη, για τον οποίον δεν υπάρχουν αρκετά θεωρητικά στοιχεία. Επίσης, εξάγουμε χρήσιμες σχέσεις σχετικά με την επίδραση των παραμέτρων και των οπτικών απωλειών στην ισχύ του εκπεμπόμενου σήματος. Στη συνέχεια μοντελοποιούμε ένα μονοστρωματικό δείγμα με μια τροποποίηση της γενικής “Transfer Matrix Method”, κατάλληλη για σήματα με διαμόρφωση συχνότητας και αποκωδικοποιούμε την σήμα στον δέκτη ώστε να αποσπάσουμε την πληροφορία του πάχους. Ακολούθως, εισάγουμε θόρυβο φάσης στα λέιζερ και περιγράφουμε αναλυτικά τον θόρυβο ισχύος από όλες τις πηγές τόσο για τον πομπό όσο και για τον δέκτη και καταλήγουμε σε διαγράμματα εξάρτησης του σηματοθορυβικού λόγου από τις παραμέτρους του συστήματος..Τέλος, χάρη στην αναλυτική μαθηματική περιγραφή μπορούμε να προτείνουμε μια εναλλακτική αρχιτεκτονική με στόχο τη βελτίωση της απόδοσης, και πράγματι η προσημείωση επιβεβαιώνει αυτή τη πρωτοβουλία, δείχνοντας βελτίωση της εκπεμπόμενης ισχύος αλλά και του SNR στον δέκτη κατά 12 dB