Терагерцовая спектроскопия с временным разрешением является относительно молодой методикой по меркам классической спектроскопии. Предпосылками к ее появлению служит бурное развитие технологий конца 20 века, начиная с изобретения импульсных лазеров с длительностью импульсов менее 1 пс. Особенно следует выделить появление в начале 1990-х годов в коммерческом доступе перестраиваемых титан-сапфировых лазеров с самосинхронизацией мод, сочетающие высокую надежность, удобство использования и малую длительность импульсов.
Развитие терагерцовой области в целом тесно связано с совершенствованием технологий. Особенно это заметно на примере полупроводниковых устройств. Например, основой для широко используемых в импульсной терагерцовой спектроскопии фотопроводящих антенн является низкотемпературный арсенид галлия. Его электронные свойства, сочетающие высокую подвижность зарядов и субпикосекундные времена жизни, позволили достичь терагерцовых частот, недоступных для обычной электроники. Развитие ростовых методик позволило создавать сложные полупроводниковые гетероструктуры, такие как квантово-каскадные лазеры, что положило начало целому направлению в физике твердого тела.
В нашей лаборатории мы имеем возможность использовать различные источники и приемники терагерцового излучения, такие как фотопроводящие антенны и электрооптические кристаллы. В основе их работы заложены разные физические механизмы, но сам принцип генерации и детектирования у них общий.
Схема установки терагерцовой спектроскопии с временным разрешением приведена на рисунке 1. Излучение импульсного лазера с длительностью импульсов порядка 100 фс и длиной волны 800 нм разделяется на два луча. Первый из них, более мощный, используется в канале генерации терагерцовых импульсов, в то время, как второй используется в когерентной схеме детектирования. Поскольку обычные оптические материалы, такие как оптические стекла имеют дисперсию показателя преломления и значительный коэффициент поглощения в терагерцовом диапазоне частот (0.1-10ТГц), для манипулирования терагерцовыми пучками используются ахроматичные параболические зеркала. С их помощью терагерцовое излучение сначала перефокусируется на образце, а затем направляется в схему детектирования.
Детектирование терагерцовых импульсов происходит следующим образом.
Синхронно с терагерцовым импульсом на детектор посылается слабый оптический импульс (референс). Оптический импульс вызывает на детекторе отклик, пропорциональный электрическому полю терагерцового импульса. Длительность терагерцового импульса составляет несколько пикосекунд, в то время как длительность оптического импульса составляет порядка 0.1 пс. Линия задержки, установленная в канале референса, позволяет изменять время прихода на детектор оптического импульса относительно терагерцового. Таким образом детектируется весь временной профиль терагерцового импульса (колебания вектора электрического поля). Преобразование Фурье временнного профиля позволяют получить спектр терагерцового излучения.
Благодаря малой длительности терагерцовых импульсов, спектр терагерцового излучения имеет вид широкой полосы в диапазоне примерно 0-3 ТГц.
Интересной особенностью терагерцовой спекстроскопии с временным разрешением является детектирование не просто интенсивности терагерцового излучения на различных частотах, а одновременное измерение амплитуды и фазы его электрического поля, что позволяет непосредственно измерять комплексную диэлектрическую проницаемость исследуемых образцов.
Рис. Схема установки терагерцовой спектроскопии с временным разрешением. Fs-laser – фемтосекундный лазер, ZnTe – нелинейный кристалл теллурид цинка [110], DL – линия задержки, BD – балансный фотодиод, Ch – механический прерыватель (чоппер), Lock-in – синхронный усилитель, S – образец в криостате.
Развитие терагерцовой области в целом тесно связано с совершенствованием технологий. Особенно это заметно на примере полупроводниковых устройств. Например, основой для широко используемых в импульсной терагерцовой спектроскопии фотопроводящих антенн является низкотемпературный арсенид галлия. Его электронные свойства, сочетающие высокую подвижность зарядов и субпикосекундные времена жизни, позволили достичь терагерцовых частот, недоступных для обычной электроники. Развитие ростовых методик позволило создавать сложные полупроводниковые гетероструктуры, такие как квантово-каскадные лазеры, что положило начало целому направлению в физике твердого тела.
В нашей лаборатории мы имеем возможность использовать различные источники и приемники терагерцового излучения, такие как фотопроводящие антенны и электрооптические кристаллы. В основе их работы заложены разные физические механизмы, но сам принцип генерации и детектирования у них общий.
Схема установки терагерцовой спектроскопии с временным разрешением приведена на рисунке 1. Излучение импульсного лазера с длительностью импульсов порядка 100 фс и длиной волны 800 нм разделяется на два луча. Первый из них, более мощный, используется в канале генерации терагерцовых импульсов, в то время, как второй используется в когерентной схеме детектирования. Поскольку обычные оптические материалы, такие как оптические стекла имеют дисперсию показателя преломления и значительный коэффициент поглощения в терагерцовом диапазоне частот (0.1-10ТГц), для манипулирования терагерцовыми пучками используются ахроматичные параболические зеркала. С их помощью терагерцовое излучение сначала перефокусируется на образце, а затем направляется в схему детектирования.
Детектирование терагерцовых импульсов происходит следующим образом.
Синхронно с терагерцовым импульсом на детектор посылается слабый оптический импульс (референс). Оптический импульс вызывает на детекторе отклик, пропорциональный электрическому полю терагерцового импульса. Длительность терагерцового импульса составляет несколько пикосекунд, в то время как длительность оптического импульса составляет порядка 0.1 пс. Линия задержки, установленная в канале референса, позволяет изменять время прихода на детектор оптического импульса относительно терагерцового. Таким образом детектируется весь временной профиль терагерцового импульса (колебания вектора электрического поля). Преобразование Фурье временнного профиля позволяют получить спектр терагерцового излучения.
Благодаря малой длительности терагерцовых импульсов, спектр терагерцового излучения имеет вид широкой полосы в диапазоне примерно 0-3 ТГц.
Интересной особенностью терагерцовой спекстроскопии с временным разрешением является детектирование не просто интенсивности терагерцового излучения на различных частотах, а одновременное измерение амплитуды и фазы его электрического поля, что позволяет непосредственно измерять комплексную диэлектрическую проницаемость исследуемых образцов.
Рис. Схема установки терагерцовой спектроскопии с временным разрешением. Fs-laser – фемтосекундный лазер, ZnTe – нелинейный кристалл теллурид цинка [110], DL – линия задержки, BD – балансный фотодиод, Ch – механический прерыватель (чоппер), Lock-in – синхронный усилитель, S – образец в криостате.
Russian (Russia) 
English (United Kingdom)