Метод определения границ спектра терагерцового широкополосного излучения

УДК 53534

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГРАНИЦ СПЕКТРА ТЕРАГЕРЦОВОГО ШИРОКОПОЛОСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

© 2013 М.О. Осипова, Я.В. Грачев, В.Г. Беспалов

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра фотоники и оптоинформатики

Поступила в редакцию 26.11.2013

Предложен метод определения границ спектра широкополосного терагерцового излучения для систем спектроскопии с разрешением во времени.

Ключевые слова: ТГц, импульсное терагерцовое излучение, терагерцовая спектроскопия с разрешением во времени, ширина спектра.

1. ВВЕДЕНИЕ

Терагерцовым излучением принято называть излучение в частотном диапазоне от 300 ГГц до 10 ТГц. Располагаясь на шкале частот между ИК и миллиметровым диапазоном спектра, ТГц излучение обеспечивает широкие возможности для изучения молекулярной структуры веществ, т.к. большинство колебательных и вращательных спектров молекул вещества находятся в области этих частот.

В терагерцовой спектроскопии с разрешением во времени [1] для достоверного определения оптических характеристик исследуемых материалов и образцов важно определение низко- и высокочастотной границы спектра используемого излучения. Однако, в настоящее время отсутствуют описания методов, позволяющих точно определять границы спектра, внутри которых измерения будут достоверны [2, 3, 4, 5]. В работе предлагается метод определения ширины спектра импульсного излучения, позволяющий однозначно выбрать диапазон частот, который следует использовать в спектроскопических исследованиях для достижения достоверных результатов.

2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Предлагаемый метод разрабатывался для систем спектроскопии с разрешением во времени.

2.1. Генерация ТГц излучения

В настоящей работе используется известный метод генерации импульсного терагерцового из-

Осипова Мария Олеговна, студентка, лаборант. E-mail: osipovamo@ya.ru

Грачев Ярослав Владимирович, инженер-исследователь. E-mail: grachevjy@mail.ru

Беспалов Виктор Георгиевич, доктор физико-математических наук, профессор. E-mail: victorbespaloff@gmail.com

лучения, в котором поверхность полупроводника, помещенного в магнитное поле, служит преобразователем сверхкоротких импульсов лазерного излучения в терагерцовые импульсы [6]. Мощный оптический импульс фемтосекундной длительности (накачка) поглощается в поверхностном слое полупроводникового кристалла, образуя электрон-дырочные пары. В дальнейшем электроны, обладающие большей подвижностью по сравнению с дырками, продвигаются вглубь полупроводника, образуя электрическое поле Дембера. При прекращении воздействия импульса накачки на поверхность полупроводника, электроны возвращаются к поверхности полупроводника, рекомби-нируя с дырками. Образуемый движением электронов диполь генерирует терагерцовый импульс, длительность и спектр которого определяется подвижностью носителей заряда, а также скоростью рекомбинации электронов и дырок. В данной работе, используя полупроводниковый кристалл ¡пАэ и импульсы накачки длительностью 200 фс на длине волны Л. =1,04 мкм, получили терагерцовые импульсы длительностью 2,5 пс и спектром от 0,06 до 1,7 ТГц.

2.2. Детектирование ТГц излучения

В схемах ТГц спектроскопии с разрешением во времени чаще всего для детектирования импульса используют два общеизвестных метода: электро-оптический [6] и с помощью фотопрово-дящих антенн [7].

В данной работе детектирование терагерцо-вого импульса происходило электро-оптическим методом. При одновременном прохождении фем-тосекундного импульса (пробного пучка) и тера-герцового импульса в электрооптическом кристалле, напряженность электрического поля тера-герцового импульса, медленно изменяющаяся относительно поля фемтосекундного импульса, наводит в кристалле двулучепреломление для

пробного импульса, вследствие линейного электрооптического эффекта.

Таким образом, величина двулучепреломле-ния прямо пропорциональна напряженности электрического поля терагерцовой волны в данной временной точке. С помощью линии оптической задержки изменяется точка пересечения пробного импульса с временной координатой те-рагерцовой волны в кристалле. Система измерения двулучепреломления описана в [8].

3. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ШИРИНЫ СПЕКТРА

В экспериментальную схему был добавлен набор нейтральных светофильтров (ОБ), позволяющий изменять мощность излучения накачки, падающего на кристалл-генератор ¡пЛб. Окончательная схема установки показана на рис. 1. В эксперименте мощность излучения накачки изменялась в диапазоне от 27 до 370 мВт и для каждого значения мощности измерялась временная форма терагерцового импульса. Зарегистрированные временные формы импульсов представлены на рис. 2(а).

Если рассмотреть амплитуду терагерцового импульса в его максимуме, находящемся во временной координате 5 пс на рисунке 2(а), то видно, что в пределах погрешности эксперимента она линейно зависит от мощности возбуждающего излучения: рис. 2(б). Среднеквадратичное отклонение экспериментальных данных от линейной аппроксимации составило 12%.

Далее путем прямого преобразования Фурье были получены спектральные плотности мощно-

сти терагерцовых импульсов при различных значениях мощности накачки. Так как операция преобразования Фурье линейная, то спектральная плотность мощности также зависит линейно от мощности накачки. Варьируя мощность излучения накачки, в частотном представлении ТГц импульса можно обнаружить область, где мощность спектра изменяется линейно с положительным наклоном аппроксимирующей прямой и области, где наклон нулевой или отрицательный (рис. 3), так как терагерцовое излучение в таких частотных областях не генерируется. За спектр импульса естественно выбрать частоты, на которых угол наклона аппроксимирующей линии положителен - рис. 4(а,б).

3.1. Краткая формулировка метода

Регистрируются частотные спектры ТГц импульса при различной величине мощности излучения накачки ТГц генератора. Для каждой частоты ТГц импульса вычисляется угол наклона a(f) по формуле a(f)=arctg(P (fy/Рнак), где P (f) - величина спектральной плотности мощности на частоте f, Рнак - величина мощности на частоте излучения накачки ТГц генератора. Минимальная и максимальная частота &ри неотрицательной величине угла наклона a(f) являются низкочастотной f . и высокочастотной f гра-

min max Г

ницами спектра ТГц импульса соответственно.

Таким образом, проблема определения рабочего спектрального диапазона прибора для достоверных измерений решается путем проведения простого исследования.

Рис. 1. Экспериментальная схема импульсной ТГц спектроскопии: FL-1 - фемтосекундный Yb:KYW лазер, M1, M2, M3 - зеркала, F - нейтральный светофильтр, BS -делитель пучка, USMC - линия задержки, MC1000A - оптико-механический модулятор, OF - набор светофильтров, InAs - кристалл InAs, M - магнит, G - призма Глана, PM1, PM2 - параболические зеркала, P - поляризатор, F - фильтр, L1, L2 - линзы, Ob - объект, CdTe - электро-оптический кристалл, W -призма Волластона, BD - балансный фотоприемник, OPA - синхронный усилитель, PC - ПК

Рис. 2. а - временные формы ТГц импульсов; б - напряженность электрического поля импульсов в точке 5 пс при различной мощности возбуждающего излучения

Рис. 3. а - спектральная плотность мощности для мощности накачки 314 мВт; б - спектр угла наклона прямой

4. ПОГРЕШНОСТЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГРАНИЦ СПЕКТРА ТГЦ ИЗЛУЧЕНИЯ

Для определения погрешности метода была проведена серия измерений на рабочем спектрометре с неточно настроенной системой детектирования, что сказалось на уменьшении ширины спектра ТГц импульса.

Для каждого значения мощности накачки

была получена серия временных форм ТГц импульса. Оказалось, что значения угла наклона аппроксимирующей прямой для всех серий измерений распределены по нормальному закону, а это значит, что и верхние и нижние частоты спектра имеют такое же распределение. Для доверительной вероятности 0,95 результаты определения границ спектра имеют погрешность 0,06 ТГц.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработан простой и эффективный экспериментальный метод определения ширины спектра терагерцового импульса для систем спектроскопии с разрешением во времени. Показано его применение на терагерцовом спектрометре НИУ ИТМО с электрооптическим детектированием с использованием кристалла С^е, рабочий спектральный диапазон которого занимает частоты от 0,05 до 1,70 ТГц.

В сущности, данный метод применим в любых системах спектроскопии с разрешением во времени, позволяющих варьировать мощность генерируемого терагерцового излучения. Возможность определения рабочей ширины спектра проверена

Частота, ТГц Частота, ТГц

Рис. 4. а - низкочастотная область спектра; б - высокочастотная область спектра

на нескольких спектрометрах. Рабочий диапазон спектрометра с генерацией на InAs и детектированием на антенне iPCAP-21-05-1000-800-h (Batop, Германия) с использованием излучения длительностью 20 фс составил 0,45-1,27 ТГц.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Nuss M.C., Orenstein J. Terahertz time-domain spectroscopy // Topics in Applied Physic, 1998, 74, p. 7-50.

2. Sakai K. Terahertz Optoelectronics. Springer, 2005. P. 350.

A. Rostami, Rasooli, Hassan, Baghban, Hamed. Terahertz Technology: Fundamentals and Applications // Series: Lecture Notes in Electrical Engineering, 2011. P. 300.

3. Zhang X.-C., Jingzhou Xu. Introduction to THz wave photonics. Springer Science+Business Media, 2009. P. 249.

4. Terahertz Time-Domain Spectroscopy of Human Blood / C.B. Reid, G. Reese, A.P. Gibson, V.P. Wallace // IEEE Biomedical and Health Informatics, 2013. 17. P. 774-778.

5. Генерация излучения в дальнем ИК диапазоне спектра при фемтосекундном оптическом возбуждении полупроводника InAs в магнитном поле / В.Г. Беспалов, В.Н. Крылов, С.Э. Путилин, Д.И. Стаселько // Оптика и спектроскопия. 2002. Т. 93. № 1. С. 158-162.

6. Wu Q., Zhang X.-C. Free-space electro-optic sampling of terahertz beams // Appl. Phys. Lett. 1995. 67. P. 3523-3525.

7. Detection of up to 20 THz with a low temperature-grown GaAs photoconductive antenna gated with 15 fs light pulses / S. Kono, M. Tani, P. Gu , K. Sakai // Appl. Phys. Lett. 2001. 77. P. 4104-4106.

8. Царев М.В. Генерация и регистрация терагерцового излучения ультракороткими лазерными импульсами. Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2011. С. 12-48.

METHOD OF DETERMINING THE BOUNDARIES OF BROADBAND THZ RADIATION SPECTRUM

© 2013 M.O. Osipova, Y.V. Grachev, V.G. Bespalov

Saint-Petersburg National Research University of Informational Technologies, Mechanics and Optics Department

In this article we proposed a method of determining the boundaries of the broadband terahertz spectrum in time-domain spectroscopy systems.

Key words: THz, pulsed terahertz radiation, terahertz time-domain spectroscopy, spectral bandwidth.

Maria Osipova, Student, Laboratory Assistant. E-mail: osipovamo@ya.ru Yaroslav Grachev, Research Engineer. E-mail: grachevjy@mail.ru

Viktor Bespalov, Doctor of Physics and Mathematics, Professor. E-mail: victorbespaloff@gmail.com