Мультиспектральный узкополосный источник терагерцевого излучения на основе молекулярного кристалла RbAP и перестраиваемого фильтра из метаматериала

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

В работе исследуется новый тип источника терагерцевого излучения на базе молекулярного кристалла гидрофталата рубидия (RbAP) и перестраиваемого метаматериала, выполняющего функцию фильтра. Высокая добротность колебательного отклика решетки кристалла RbAP в терагерцевом диапазоне частот позволяет осуществлять генерацию узкополосного терагерцевого излучения одновременно на нескольких частотах с высокой спектральной яркостью и пиковой мощностью. Возбуждение кристалла осуществляется одиночными фемтосекундными лазерными импульсами. Переключение между отдельными сгенерированными спектральными линиями реализуется с помощью планарного метаматериала, линии поглощения которого зависят от поляризации падающего на него излучения. Разработанный источник позволяет осуществлять динамическую перестройку спектральной линии излучения, что делает его более универсальным и эффективным по сравнению с традиционными узкополосными источниками, такими как, например, квантовые каскадные лазеры.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. С. Синько

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова; Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Автор, ответственный за переписку.
Email: as.sinjko@physics.msu.ru
Россия, Москва; Москва

Н. Н. Козлова

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: as.sinjko@physics.msu.ru
Россия, Москва

В. Л. Маноменова

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: as.sinjko@physics.msu.ru
Россия, Москва

Е. Б. Руднева

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: as.sinjko@physics.msu.ru
Россия, Москва

А. Э. Волошин

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева; Национальный исследовательский технологический университет “МИСИС”

Email: as.sinjko@physics.msu.ru
Россия, Москва; Москва; Москва

Н. Е. Новикова

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: as.sinjko@physics.msu.ru
Россия, Москва

Ф. А. Кожевников

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Email: as.sinjko@physics.msu.ru
Россия, Москва

М. Р. Конникова

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова; Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: as.sinjko@physics.msu.ru
Россия, Москва; Москва

А. П. Шкуринов

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова; Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: as.sinjko@physics.msu.ru
Россия, Москва; Москва

Список литературы

  1. Dexheimer S.L. (ed.) Terahertz Spectroscopy: Principles and Applications. Boca Raton: CRC press, 2017.
  2. Jansen C., Wietzke S., Peters O., Scheller M., Vieweg N., Salhi M., Krumbholz N., Jördens C., Hochrein T., Koch M. //Appl. Opt. 2010. V. 49. № 19. P. E48.
  3. Fukunaga K. // THz Technology Applied to Cultural Heritage in Practice. Tokyo: Springer, 2016.
  4. Smolyanskaya O.A., Chernomyrdin N.V., Konovko A.A., Zaytsev K.I., Ozheredov I.A., Cherkasova O.P., Nazarov M.M., Guillet J.-P., Kozlov S.A., Kistenev Yu. V., Coutaz J.-L., et al. // Prog. Quantum Electron. 2018. V. 62. P. 1.
  5. Nanni E.A., Huang W.R., Hong K.-H., Ravi K., Fallahi A., Moriena G., Dwayne Miller R., Kärtner F.X. // Nat. Commun. 2015. V. 6. № 1. P. 8486.
  6. Udina M., Cea T., Benfatto L. // Phys. Rev. B. 2019. V. 100. № 16. P. 165131.
  7. Kejalakshmy N., Srinivasan K. // J. Phys. D Appl. Phys. 2003. V. 36. № 15. P. 1778.
  8. Беликова Г.С., Беляев Л.М., Головей М.П., Писаревский Ю.В., Сильвестрова И.М., Турская Т.И. // Кристаллография. 1974. Т. 19. № 3. С. 566.
  9. Беляев Л.М., Беликова Г.С., Гильварг А.Б., Сильвестрова И.М. // Кристаллография. 1969. Т. 14. № 4. С. 645.
  10. Barsukova M., Belikova G., Belyaev L., Boiko V., Gil’varg A., Pikuz S., Faenov A., Chugunov A. // Instrum. Exp. Tech. 1980. V. 23. № 4. P. 1028.
  11. Shujun Z., Jihua X., Zhilin X., Wenhao W. // Nucl. Fusion Plasma Phys. 1993. V. 13. № 1. P. 61.
  12. Yamashita K., Watanabe M., Matsudo O., Yamazaki J., Hatsukade I., Ishigami T., Takahama S., Tamura K., Ohtani M. // Rev. Sci. Instrum. 1992. V. 63. № 1. P. 1217.
  13. Mavrin B.N., Koldaeva M.V., Zakalyukin R.M., Turskaya T.N. // Opt. Spectrosc. 2006. V. 100. P. 862.
  14. Kaminskii A.A., Bagayev S.N., Dolbinina V.V., Voloshin E.A., Rhee H., Eichler H.J., Hanuza J. // Laser Phys. Lett. 2009. V. 6. № 7. P. 544.
  15. Benedict J.B., Wallace P.M., Reid P.J., Jang S.-H., Kahr B. // Adv. Mater. 2003. V. 15. № 13. P. 1068.
  16. Enculescu M., Neumann R. // J. Nanosci. Nanotechnol. — 2011. V. 11. № 5. P. 3943.
  17. Khan M.D.S., Narasimhamurty T.S. // J. Mater. Sci. Lett. 1982. V. 1. № 6. P. 268.
  18. Sinko A., Solyankin P., Kargovsky A., Manomenova V., Rudneva E., Kozlova N., Sorokina N., Minakov F., Kuznetsov S., Nikolaev N., Nikolay Surovtsev, Ilya Ozheredov, Alexey Voloshin & Alexander Shkurinov // Sci. Rep. 2021. V. 11. № 1. P. 23433.
  19. Sinko A.S., Surovtsev N.V., Kargovsky A.V., Nikolaev N.A., Manomenova V.L., Kozlova N.N., Rudneva E.B., Voloshin A.E., Shkurinov A.P. // IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2023. V. 13. № 5. P. 526.
  20. Jin Y., Reno J. L., Kumar S. // Optica. 2020. V. 7. № 6. P. 708.
  21. Khalatpour A., Paulsen A.K., Deimert C., Wasilewski Z.R., Hu Q. // Nat. Photon. 2021. V. 15. № 1. P. 16.
  22. Yadav S., Kumari M., Nayak D., Moona G., Sharma R., Vijayan N., Jewariya M. // J. Nonlinear Opt. Phys. Mater. 2022. V. 31. № 02. P. 2230001.
  23. Kroumova E., Aroyo M.I., Perez-Mato J.M., Kirov A., Capillas C., Ivantchev S., Wondratschek H. // Ph. Transit. 2003. V. 76. № 1–2. P. 155.
  24. Колесов Б.А. Прикладная КР-спектроскопия. /Отв. ред. Н.В. Суровцев, СО РАН, Новосибирск: Ин-т неорганической химии, 2018. 397 c.
  25. Lu M., Li W., Brown E. R. // Opt. Lett. 2011. V. 36. № 7. P. 1071.
  26. Paul O., Beigang R., Rahm M. // Opt. Express. 2009. V. 17. № 21. P. 18590.
  27. Li D., Huang H., Xia H., Zeng J., Li H., Xie D. // Results Phys. 2018. V. 11. P. 659.
  28. Sreekanth K. V., Han S., Singh R. // Adv. Mater. — 2018. V. 30. № 21. P. 1706696.
  29. Wu Y., Chen S., Zhou S., Liao S. // Proc. IEEE IWS. — IEEE, 2019. P. 1.
  30. Chen Z., Ma X., Zhang B., Zhang Y., Niu Z., Kuang N., Chen W., Li L., Li S. // China Commun. 2019. V. 16. № 2. P. 1.
  31. Wang L., Zhang Y., Guo X., Chen T., Liang H., Hao X., Hou X., Kou W., Zhao Y., Zhou T., Liang S., Yang Z. /Nanomater. 2019. V. 9. № 7. P. 965.
  32. Koch M., Mittleman D.M., Ornik J., Castro-Camus E. // Nat. Rev. Methods Primers. 2023. V. 3. № 1. P. 48.
  33. Smith R. A. // Acta Crystallogr. B. 1975. V. 31. № 9. P. 2347.
  34. Furmanova N.G., Okhrimenko T.M., Eremina T.A., Kuznetsova V.A., Malakhova L.F. // J. Struct. Chem. 1994. V. 35. № 5. P. 697.
  35. Srinivasan B.R., Dhuri S.N., Narvekar K.U. // Indian J. Chem. A (IJCA). 2020. V. 59. № 12. P. 1785.
  36. Okaya Y. // Acta Crystallogr. 1965. V. 19. № 6. P. 879.
  37. Novikova N.E., Lisovenko D.S., Sizova N.L. // Crystallogr. Rep. 2018. V. 63. P. 438.
  38. Регель В.Р., Сизова Н.Л. // Актуальные вопросы физики микровдавливания. АН МССР, Штиинца, Кишинев: Ин-т прикл. Физики. 1989. 194 с.
  39. Регель В.Р., Сизова Н.Л., Беликова Г.С., Турская Т.Н. // Физика твердого тела. 1999. Т. 41. № 2. С. 265.
  40. Novikova N.E., Kulikov A.G., Verin I.A., Smirnova E.S., Pisarevskii Y.V. Anisotropy of lattice deformation of rubidium acid phthalate single crystals under the influence of electric field and temperature. [Submitted to J. Alloys Compd.]
  41. Fano U. // Phys. Rev. 1961. V. 124. № 6. P. 1866.
  42. Tung L.-C., Yu W., Cadden-Zimansky P., Miotkowski I., Chen Y., Smirnov D., Jiang Z. // Phys. Rev. B. 2016. V. 93. № 8. P. 085140.
  43. Rury A. S., Sorenson S. A., Dawlaty J. M. // J. Phys. Chem. C. 2016. V. 120. № 38. P. 21740.
  44. Xu S.J., Xiong S.J., Shi S.L. // J. Chem. Phys. 2005. V. 123. № 22. P. 221105.
  45. Filipič C., Levstik I., Levstik A., Hadži D. // Jpn. J. Appl. Phys. 2016. V. 55. № 8. P. 081203.
  46. Chang B.K., Zhou J.-J., Lee N.-E., Bernardi M. // Npj Comput. Mater. 2022. V. 8. № 1. P. 63.
  47. McCall R.P., Roe M.G., Ginder J.M., Kusumoto T., Epstein A.J., Asturias G.E., Scherr E.M., // Synth. Met. 1989. V. 29. № 1. P. 433.
  48. Petrenko A., Novikova N., Blagov A., Kulikov A., Pisarevskii Y., Verin I., Kovalchuk M. // J. Appl. Crystallogr. 2021. V. 54. № 5. P. 1317.
  49. Pendry J.B., Holden A.J., Robbins D.J., Stewart W.J. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena // IEEE Trans. Microw. Theory Techn. 1999. V. 47. № 11. P. 2075.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Габитус кристалла RbAP и кристаллофизическая система координат XYZ, соответствующая кристаллографической abc (а). Независимая область элементарной ячейки RbAP и четыре ближайших атома кислорода из окружения атома Rb (б).

Скачать (18KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Решетка атомов рубидия в проекции на плоскость ac при (а) 295 и (б) 85 К [40].

Скачать (13KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Коэффициент пропускания T кристалла RbAP в УФ, видимом и БИК-диапазонах длин волн в неполяризованном свете (толщина образца составляла 826 мкм) (вставка изображает спектр пропускания в диапазоне длин волн от 297.5 до 315 нм) и коэффициенты преломления nx, ny, nz для трех выделенных направлений [9].

Скачать (23KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Коэффициент поглощения по полю RbAP для оси Z, измеренный (а) на образце толщиной 625 мкм при температурах от 293 до 7.2 К, (б) на образце толщиной 625 мкм (красная линия) и наборе образцов в диапазоне толщин 30–65 мкм (черная линия со стандартным отклонением) при комнатной температуре. Цветные кривые представляют собой аппроксимацию пиков резонансов функциями Лоренца и БВФ (в). Приближенная область пиков на частотах ∼1.5–1.6 ТГц для коэффициента поглощения по полю вдоль оси Z. Три экспериментальных точечных набора данных при низких температурах показывают расщепление пика на частоте ∼1.5–1.6 ТГц. Линии представляют собой аппроксимацию пиков функциями Лоренца и БВФ (г). Коэффициент преломления RbAP, измеренный на образце толщиной 625 мкм при температурах от 293 до 7.2 К. (д, е) Коэффициент поглощения по полю кристалла RbAP для оси X. Экспериментальные данные и соответствующая аппроксимация аналогичны данным для оси Z из (а, б).

Скачать (72KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Спектры сгенерированного терагерцевого излучения в кристалле RbAP при температурах 7.2 и 293 К для двух конфигураций поляризации: детектирующий поляризатор вдоль оси Z, а поляризация лазера накачки вдоль (а) оси Z или (б) оси X. Для конфигураций ZZ и XZ спектры при всех температурах нормировались на данные для 7.2 К. Зависимость энергии генерируемого терагерцевого излучения от (в) энергии импульса возбуждающего лазера (г) азимутального угла поляризации лазерного излучения относительно оси Z. Пунктирными линиями указаны значения энергии в максимумах при условии, что энергия накачки составляла 310 мкДж.

Скачать (86KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Принципиальная схема одиночной ячейки ТГц-метаструктуры типа SRR (а). Модельные спектры амплитуды пропускания для двух поляризаций падающего ТГц-излучения: TE (красная) и TM (синяя) (б). Распределение электрического поля на поверхности элементарной ячейки метаструктуры на резонансных частотах 1.52 ТГц (ТЕ) (в) и 1.87 ТГц (г).

Скачать (58KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Спектрохронография опорного сигнала в конфигурации ZZ при температуре кристалла 7.2 К и отфильтрованного сигнала для двух ортогональных ориентаций метаструктуры SRR3 в соответствии с поляризацией терагерцевого импульса (а). Спектры опорного и отфильтрованного терагерцевого излучения кристалла RbAP в конфигурации ZZ и коэффициенты поглощения для метаструктуры SRR3 (б).

Скачать (47KB)
Метаданные

© Институт физики твердого тела РАН, Российская академия наук, 2024