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Microscopio THz a Scansione Differenziale

Informazioni tesi

  Autore: Michele Montinaro
  Tipo: Laurea liv.II (specialistica)
  Anno: 2008-09
  Università: Università degli Studi di Pisa
  Facoltà: Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali
  Corso: Fisica
  Relatore: Fabio Beltram
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 87

Il presente lavoro di Tesi si colloca all'interno di un progetto di ricerca teso alla realizzazione di un'innovativa tecnica di caratterizzazione spettroscopica spazialmente risolta nella regione spettrale del THz. La banda del THz, situata nell'intervallo tra le microonde e l'infrarosso, è ancora poco esplorata. Essa costituisce un soggetto di particolare interesse scientifico e tecnologico per le sue importanti applicazioni, che spaziano dalla spettroscopia alle ispezioni di sicurezza, ai controlli di qualità e in particolare alla diagnostica biomedica.
Negli ultimi anni sono state sviluppate varie tecniche di analisi per immagini mediante radiazione THz, alcune delle quali mirano ad abbattere il limite imposto alla risoluzione dalla diffrazione, particolarmente stringente per lunghezze d'onda elevate come nel caso in esame.
A tale scopo, i ricercatori si sono avvalsi di tecniche di Microscopia Ottica a Scansione in Campo Prossimo (NSOM), adattando le metodologie ben stabilite nel visibile al dominio del THz, oppure con lo sviluppo di nuove tecniche specifiche per questa regione spettrale. I risultati sono buoni dal punto di vista della risoluzione ottenibile, ma soffrono di uno scarso rapporto segnale/rumore e di una rimodulazione dello spettro trasmesso dalla sonda, difficoltà che hanno finora impedito la spettroscopia spazialmente risolta.
Il gruppo di ricerca nel quale mi sono inserito, operante presso il Laboratorio NEST (National Enterprise for nanoScience and nanoTechnology) della Scuola Normale Superiore di Pisa, intende adattare alla spettroscopia nel THz la tecnica di NSOM Differenziale (DNSOM), recentemente dimostrata nella regione visibile. Tale tecnica impiega la scansione di un'apertura rettangolare nel campo prossimo dell'oggetto d'interesse, illuminato da una sorgente laser; l'intensità della luce raccolta da tale apertura viene registrata in funzione della posizione. La ricostruzione dell'immagine e' ottenuta operando la derivata seconda bidimensionale della matrice dell'intensita', rispetto alle coordinate spaziali. La risoluzione é determinata principalmente dalla precisione con cui sono realizzati gli angoli del rettangolo che funge da sonda e non dalle sue dimensioni. Tale approccio rende quindi possibile l'utilizzo di un'unica apertura, anche modulando la frequenza dell'illuminazione entro un'ampia banda nel THz, per ottenere dettagliate mappe spettroscopiche con un buon rapporto segnale/rumore.
Il contributo portato da questo lavoro riguarda la simulazione numerica con il metodo FDTD (Finite Difference Time Domain) della configurazione DNSOM nel THz e la preparazione del setup sperimentale completo. Mediante le simulazioni, è stato analizzato il funzionamento dell'apparato per diverse tipologie di apertura, variando anche la lunghezza d'onda dell'illuminazione e la sua polarizzazione, per diverse distanze tra apertura e campione.
E' stata quindi realizzata la configurazione sperimentale, che comprende uno stage piezoelettrico per la scansione ed il controllo della distanza tra apertura e campione, un sistema di specchi parabolici per orientare e focalizzare la radiazione, un sensore CCD per il controllo visuale dell'allineamento, un rivelatore piroelettrico ed un sistema elettronico di controllo ed acquisizione delle misure.
Il funzionamento dell'apparato e' stato verificato sperimentalmente adoperando prima una sorgente laser a CO2, che emette radiazione intensa a 30 THz, e poi, in particolare, utilizzando una sorgente laser a cascata quantica (QCL) a 3 THz, operante a temperature criogeniche. Tali misure costituiscono la prima prova del funzionamento di un microscopio a scansione differenziale. Inoltre, e' la prima volta che nell'ambito della microscopia in campo prossimo viene utilizzata come sorgente un laser a cascata quantica ad emissione nel THz.
Nel lavoro di Tesi saranno presentate le immagini acquisite nelle diverse configurazioni sperimentali, sarà discussa la risoluzione spaziale ottenuta, anche in relazione ai risultati delle simulazioni teoriche effettuate.

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Introduzione Nell’intervallo dello spettro elettromagnetico tra le micro-onde e l’infrarosso, si colloca una regione caratterizzata da una frequenza intorno al terahertz (1 THz = 10 12 Hz), ancora poco esplorata (v. Fig. 1). La mancanza di sorgenti sufficientemente intense ed economiche e di rivelatori opportuni per questa regione spettrale ha impedito in passato lo studio e lo sviluppo di eventuali applicazioni tecnologiche. Larecenteinvenzionediunasorgentediradiazionecontinuaastatosolido, economica e affidabile quale il laser a cascata quantica (QCL) operante nel THz [4], rendendo di facile accesso l’emissione di radiazione in questa banda spettrale, ha ispirato lo studio di dispositivi per imaging e spettroscopia nel THz, aprendo la strada a una prolifica serie di ricerche in quest’ambito. La radiazione THz costituisce infatti un soggetto di particolare interesse scienti- ficoetecnologicoperviadellesueimportantiapplicazioni, chespazianodalle ispezioni di sicurezza, ai controlli di qualit` a e in particolare alla diagnostica biomedica. Ladiffrazionedellaradiazioneelettromagneticarestringetuttavialamas- sima risoluzione di un sistema ottico alla scala della lunghezza d’onda del- la radiazione impiegata per l’illuminazione. Tale limite ` e particolarmente stringente per lunghezze d’onda elevate come nel caso in esame (30 nullm÷ 1 mm). Losviluppodelletecnichedimicroscopiaotticaascansioneincampopros- Figura 1: La regione del THz si colloca nello spettro elettromagnetico tra le micro-onde e l’infrarosso ed ` e caratterizzata da una lunghezza d’onda nel vuoto tra 30 nullm e 1 mm. L’energia di un fotone termico a temperatura ambiente, 25 meV, corrisponde a una frequenza di circa 6 THz.

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