بخشی از مقاله
چکیده -در این مقاله یک نمونه آزمایشگاهی طیفنگار حوزه زمان در مد عبوری برپا شده و جهت شناسایی گلوکز مورد استفاده قرار گرفته است. در چیدمان مذکور با استفاده از آنتنهای نوررسانای گالیم آرسناید سیگنال حوزه زمان تراهرتز تولید و آشکارسازی شده است. چیدمان برپا شده محدوده طیفی 0/1 تا 3 تراهرتز را بهدست میدهد. پرتو تراهرتز تولید شده توسط یک جفت آینه سهموی طلا بر روی نمونه متمرکز شده و پس از عبور از نمونه به سمت آشکارساز هدایت میشود. طیف بهدست آمده الگوی طیفی منحصربهفرد گلوکز را بهخوبی نشان میدهد.
-1 مقدمه
ناحیه تراهرتز - THz - که در محدوده 0/1 تا 10 تراهرتز در طیف الکترومغناطیس واقع است، به دلیل خصوصیات منحر-بهفرد و کاربردهای گوناگون، در سالهای اخیر بسیار مورد توجه محققین قرارگرفته است. کاربرد در زمینههای شیمی [1] و بیوشیمی [2]، صنایع داروسازی [3]، شناسایی مواد مخدر [4] و صنایع دفاعی و امنیتی [5] را میتوان از جمله کاربردهای مهم فناوری تراهرتز برشمرد.
در گذشته به دلیل فقدان چشمهها و آشکارسازهای مناسب برای تولید و شناسایی پرتوهای THz، این ناحیه از طیف الکترومغناطیس شکاف تراهرتز نامیده میشد. تاکنون تلاش-های گوناگونی برای پوشش این شکاف طیفی صورت گرفته است که میتوان به روشهای آنتنهای نور رسانا، نوسانگر موج برگشتی، لیزرهای گازی آبشار کوانتومی و دیودگان اشاره کرد. ارتعاشات فرکانس پایین بین مولکولی و درون مولکولی سیستمهای مولکولی در محدوده THz قرار میگیرند. این ارتعاشات الگوهای طیفی منحصربهفردی برای مولکولها در ناحیه THz ایجاد میکنند که به عنوان مشخصههای اثر انگشتی برای شناسایی دقیق مولکولها مورد استفاده قرار می-گیرند .[1]
قابلیت شناسایی بسیاری از ترکیبات شیمیایی و سیستمهای زیستی ناشی از تفاوت در سطوح چرخشی و ارتعاشی مولکولی یکتای آنها است. یکی از مهمترین خصوصیات طیفنگاری تراهرتز شناسایی مواد از درون پوشش است. از آنجایی که امواج تراهرتز در بسیاری از مواد نارسانا مانند پلاستیک، کاغذ، چوب و پارچه نفوذ میکند، این امواج را میتوان برای شناسایی مواد پنهان شده استفاده کرد .[6] این درحالی است که سایر روشهای طیف نگاری قابلیت شناسایی مواد و ادوات از درون پوشش را ندارند.
در این مقاله چیدمان طیفنگار تراهرتز در حالت عبوری برپا شده و برای شناسایی ماده قندی گلوکز مورد استفاده قرار گرفته است. در چیدمان مذکور با استفاده از آنتنهای نور رسانای گالیم آرسناید، سیگنال حوزه زمان تراهرتز تولید و آشکارسازی شده است. چیدمان برپا شده محدوده طیفی 0/1 تا 3 تراهرتز را بهدست میدهد . پرتو تراهرتز تولید شده توسط یک جفت آینه سهموی طلا بر روی نمونه متمرکز شده و پس از عبور از نمونه به سوی آشکارساز هدایت میشود.در کار قبلی [7] از یک چیدمان عبوری تراهرتز برای طیف-نگاری لاکتوز استفاده شده است. در چیدمان مذکور تمرکز پرتو تراهرتز بر روی نمونه با بهکارگیری یک جفت عدسی تفلونی انجام گرفته است. درحالیکه در مطالعه حاضر متمرکز کردن و هدایت پرتوها توسط یک جفت آینه سهموی طلا انجام پذیرفته است .
از آنجایی که در این چیدمان پرتوها از روی آینهها بازتاب میشوند، نسبت به چیدمان قبلی، که در آن پرتو تراهرتز از ادوات اپتیکی عبور میکرد، اتلاف کمتر بوده و بنابراین نسبت سیگنال به نوفه بهبود یافته است. همچنین در مقایسه با چیدمانهای رایج منتشر شده [8] در چیدمان ارائه شده در مقاله حاضر از تعداد آینههای سهموی طلا کاسته شده و درنتیجه از ابعاد چیدمان به میزان قابل توجهی کاسته شده است. طیف تجربی بهدست آمده از نمونه گلوکز الگوهای طیفی منحصربهفرد ماده مورد بررسی را بهخوبی منعکس میکند.
-2 چیدمان تجربی
شکل 1 شماتیکی از چیدمان آزمایشگاهی طیفنگار حوزه زمانی تراهرتز - THz-TDS - را نشان میدهد. در این چیدمان برای تولید و آشکارسازی پالسهای تراهرتز از یک لیزر فمتوثانیه با طول موج 800 نانومتر و نرخ تکرار 80 مگاهرتز استفاده شده است. پرتو لیزری بهوسیله یک تقسیمکننده -50 50 به دو شاخه تقسیم شده و برای دمش آنتنهای فرستنده و گیرنده در تولید و آشکارسازی تپهای تراهرتز استفاده می-شود.
شکل :1 چیدمان آزمایشگاهی طیف نگار عبوری تراهرتز. در این چیدمان BS تقسیم کننده نوری، OL تأخیر انداز نوری، L1 عدسی نوری، E و D به ترتیب آنتن فرستنده و گیرنده، L2 و L3 عدسیهای TPX، OAP1 و OAP2 آینههای سهموی و S نشانگر نمونه است. در شاخه دمش، پرتو لیزری بر روی آنتن فرستنده متمرکز شده و تپهای تراهرتز تولید میشوند. این تپها بهوسیله یک آینه سهموی طلا بر روی نمونه متمرکز شده و پرتو عبور کرده از نمونه بهوسیله یک آینه سهموی دیگر به سمت آنتن گیرنده هدایت میشود. فاصله کانونی آینههای سهموی 5 سانتیمتر است و نمونه در این فاصله از آینه ها قرار میگیرد.
پرتو عبور کرده از نمونه همزمان با پرتو کاوشگر وارد آنتن گیرنده شده و جریان الکتریکی ایجاد شده ناشی از شتابگیری حاملها در حضور میدان الکتریکی تراهرتز همزمان با روبش تاخیر انداز اپتیکی، جهت تعیین دامنه و فاز موج تراهرتز اندازهگیری می-شود. به منظور جلوگیری از اتلاف موج تراهرتز توسط جو، نمونه در محفظهای با شار نیتروژن که بین دو آنتن تعبیه شده است، طیفنگاری میشود.
-3 نتایج تجربی
شکلهای 2 و 3 بهترتیب سیگنال زمانی تراهرتز را در غیاب و حضور نمونه گلوکز نشان میدهند. سیگنال مرجع ثبت شده دارای طول زمانی در حدود 1ps و پهنای فرکانسی 0/1 تا 3 تراهرتز است. تحلیل سیگنال نمونه نسبت به سیگنال مرجع طیف جذبی گلوکز را در محدوده فرکانسی تراهرتز بهدست میدهد. شکل 4 طیف جذبی نمونه گلوکز را که در نقطه کانونی بین دو آینه قرار داده شده است، نشان میدهد. مقایسه طیف جذبی تجربی بهدست آمده با طیفهای منتشر شده [8] از نمونه گلوکز، تطابق کامل طیف جذبی با مراجع را تأیید میکند و نشان میدهد که با استفاده از چیدمان برپا شده، نمونه گلوکز و قلههای جذبی منحصربهفرد آن بهخوبی شناسایی شده است.
-4 نتیجهگیری
در این مقاله چیدمان تراهرتز در مد عبوری با استفاده از آنتن-های نور رسانا به عنوان فرستنده و گیرنده برپا شده است. از این چیدمان پهنای طیفی 3 تراهرتز حاصل گردید. بهکارگیری آینههای سهموی طلا به جای لنزهای تفلونی برای متمرکز کردن و هدایت پرتو تراهرتز در چیدمان حاضر منجربه افزایش نسبت سیگنال به نویز در مقایسه با چیدمانهای قبلی شده است. از چیدمان برپا شده برای طیفنگاری نمونه گلوکز استفاده شد. قلهجذبی مشاهده شده کاملاً منطبق با مراجع بوده و قابلیت سیستم در طیفنگاری را بهخوبی اثبات میکند.
