А. А. МАМРАШЕВ, Н. А. НИКОЛАЕВ
Научные руководители – В. Д. АНЦЫГИН, О. И. ПОТАТУРКИН
Институт автоматики и электрометрии СО РАН, Новосибирск
СТАЦИОНАРНАЯ ТЕРАГЕРЦОВАЯ СПЕКТРОСКОПИя НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛОВ
Рассмотрены возможности стационарной терагерцовой спектроскопии для изучения оптических свойств нелинейных кристаллов в терагерцовой области спектра. На примере исследования свойств кристаллов семейства боратов и титанил-фосфата калия показано, что стационарная ТГц спектроскопия является высокочувствительным методом исследований области низкочастотных решеточных колебаний.
Метод широкополосной стационарной терагерцовой (ТГц) спектроскопии применяется для исследования процессов с участием свободных и локализованных носителей заряда, а также для изучения оптических фононных мод в кристаллах. Особенности регистрируемого оклика материалов в этой области спектра несут информацию о состоянии носителей заряда и параметрах их взаимодействий.
Для изучения оптических свойств нелинейных кристаллов в терагерцовой области спектра использован ТГц спектрометр, созданный на базе эрбиевого фемтосекундного волоконного лазера (λ = 775 нм, длительность импульса ~ 100 фс) [1]. Генерация ТГц излучения осуществлялась с помощью многоэлементной антенны, а регистрация выполнялась поляризационно-оптическим методом на кристалле ZnTe. Спектрометр обеспечивает возможность проведения измерений пропускания образцов в области 0,1 – 2,5 ТГц с динамическим диапазоном по напряженности ТГц поля ~ 103.
Измерены свойства кристаллов альфа-, бета - и фтор боратов бария; три - и тетра боратов лития [2]; и титанил-фосфата калия (КТР). Все монокристаллы выращены в Институте геологии и минералогии СО РАН из растворов-расплавов методом Чохральского. Для измерений использовались вырезанные из монокристаллов и ориентированные пластинки с типичными размерами 10 х 10 мм2 и толщиной 0,5 – 0,1 мм. Определение зависимостей показателей преломления n(λ) и коэффициентов поглощения α(λ) осуществлялось численными методами по времени задержки и амплитуде пропускания образцов.
В качестве примера представлены типичные результаты измерений терагерцового поглощения фторбората бария (рис. 1а), и титанил-фосфата калия (рис. 1б). На рис. 1а видна полоса обнаруженного примесного поглощения ионами Na, обозначенная стрелкой; на рис. 1б представлено влияние степени неупорядоченности калиевой подрешетки на ее ТГц поглощение в титанил-фосфате калия.
Рис. 1. Поглощение кристаллов фторбората бария (а) и титанил-фосфата калия (б)
Анализ полученных данных и сравнение их с имеющимися в литературе сведениями, полученными методом комбинационного рассеяния света (КРС), показывает, что ТГц спектроскопия имеет более высокую чувствительность и информативность в низкочастотной области терагерцового диапазона по сравнению с КРС и дополняет его в силу различия правил отбора для этих переходов. Это обусловлено тем, что выполнение количественных измерений методом комбинационного рассеяния света на малых (3 – 30 см-1) отстройках от линии возбуждения крайне затруднительно, особенно при малых коэффициентах поглощения в исследуемых образцах.
Данная система спектроскопии может быть использована для исследования полупроводниковых материалов и структур, в том числе систем пониженной размерности, без нарушения их функционирования. А также для исследования физико-химических процессов с субпикосекундным разрешением для решения задач фемтохимии и фемтобиологии.
Список литературы
1. Анцыгин В. Д., Мамрашев А. А., Николаев Н. А., Потатуркин терагерцовый спектрометр с использованием второй гармоники фемтосекундного волоконного лазера // Автометрия. 2010. Т.46. №3. С.110-116.
2. Antsygin V. D., Mamrashev A. A., Nikolaev N. A., Potaturkin O. I., et. al. Optical properties of borate crystals in terahertz regions // Optic Commun. 2013. V.309. P.333-337.
