Терагерцовая спектроскопия без Фурье
Исследователи из физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова предложили модификацию метода терагерцовой спектроскопии, позволяющую обойти паразитные пики в преобразовании Фурье, связанные с отражением волны от границ материала или слоев внутри материала, что ухудшает качество исследования, если изучаемой средой являются пленки или слоистые структуры. Модификация метода основана на том, что сравниваются не фурье-образы, а амплитуды временных зависимостей электромагнитного поля. Чтобы увидеть вклад материальных констант образца, необходим дополнительный световой импульс. Исходный луч фемтосекундного лазера делится не на две, а на три составляющие: генерирующая, детектирующая и фотоиндуцирующая. Генерирующий импульс попадает на нелинейный кристалл, где он преобразуется в терагерцовое излучение, и затем освещает исследуемый образец. Фотоиндуцирующий импульс, прошедший через пространственный модулятор, падает на исследуемый образец, формируя в его области неоднородную засветку в виде дифракционной решетки, период которой обеспечивает дифракцию терагерцового излучения. В результате взаимодействия фотоиндуцирующего импульса с образцом в тех областях материала, куда попадает засветка, изменяется концентрация свободных носителей, или возбуждаются поляритоны, и при прохождении терагерцового импульса образуется импульс-сателлит. Отношение амплитуд детектирующего импульса и импульса-сателлита, с учетом известного периода дифракционной решетки, дает возможность определять материальные константы образца.
Рис. 1.
а – Терагерцовый импульс, прошедший сквозь образец – пластину GaAs без фотоиндуцирующего импульса (видны пики, соответствующие отражениям от границ пластины);
б – Электрическое поле импульса-сателлита при различных периодах дифракционной решетки, наведенной полем фотоиндуцирующего импульса (на вставке – электрическое поле детектирующего импульса).
Терагерцовая спектроскопия в последнее время развивается очень динамично, применение терагерцовых волн в исследованиях материалов только расширяется. Это связано с более высоким пространственным разрешением, чем в микроволновом диапазоне, но гораздо меньшим поглощением и рассеянием, чем в оптическом диапазоне электромагнитных волн. Стандартная схема метода терагерцовой спектроскопии временного разрешения (ТHz-TDS) включает в себя сравнение фурье-образов фемтосекундного импульса, разделенного на две части, одна из которых проходит через исследуемый образец, а другая через вакуум [1]. Но если исследуемой средой являются пленки или слоистые структуры, то в преобразовании Фурье появляются паразитные пики, связанные с отражением волны от границ материала или слоев внутри материала (рис. 1а), что ухудшает качество исследования.
Модификацию метода терагерцовой спектроскопии, позволяющую обойти указанные трудности, предложили исследователи из физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова [2]. Она основана на том, что сравниваются не фурье-образы, а амплитуды временных зависимостей электромагнитного поля. Чтобы увидеть вклад материальных констант образца, необходим дополнительный световой импульс. Исходный луч фемтосекундного лазера делится не на две, а на три составляющие: генерирующая, детектирующая и фотоиндуцирующая. Генерирующий импульс попадает на нелинейный кристалл, где он преобразуется в терагерцовое излучение, и затем освещает исследуемый образец. Фотоиндуцирующий импульс, прошедший через пространственный модулятор, падает на исследуемый образец, формируя в его области неоднородную засветку в виде дифракционной решетки, период которой обеспечивает дифракцию терагерцового излучения. В результате взаимодействия фотоиндуцирующего импульса с образцом в тех областях материала, куда попадает засветка, изменяется концентрация свободных носителей, или возбуждаются поляритоны, и при прохождении терагерцового импульса образуется импульс-сателлит. Отношение амплитуд детектирующего импульса (не прошедшего через образец, рис. 1б, вставка) и импульса-сателлита (рис. 1б), с учетом известного периода дифракционной решетки, дает возможность определять материальные константы исследуемого образца.
Таким образом, можно сказать, что дифракционная решетка, проецируемая на образец, сама дает нужное фурье-преобразование, в котором присутствуют только известные пространственные частоты, и позволяет исследовать материалы без помех, связанных с резонансными отражениями.
1. R.Peretti et al, IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 9, 136 (2019).
2. И.А.Новиков и др., Письма в ЖЭТФ 119, 651 (2024).
Автор: З. Пятакова
