RU2539678C2 - Method of generating electromagnetic radiation in terahertz range and apparatus for generating electromagnetic radiation in terahertz range - Google Patents

Method of generating electromagnetic radiation in terahertz range and apparatus for generating electromagnetic radiation in terahertz range Download PDF

Info

Publication number
RU2539678C2
RU2539678C2 RU2013117078/28A RU2013117078A RU2539678C2 RU 2539678 C2 RU2539678 C2 RU 2539678C2 RU 2013117078/28 A RU2013117078/28 A RU 2013117078/28A RU 2013117078 A RU2013117078 A RU 2013117078A RU 2539678 C2 RU2539678 C2 RU 2539678C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sample
active medium
radiation
electromagnetic radiation
exciting
Prior art date
Application number
RU2013117078/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013117078A (en
Inventor
Петр Александрович ОБРАЗЦОВ
Павел Алексеевич ЧИЖОВ
Сергей Владимирович Гарнов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук
Priority to RU2013117078/28A priority Critical patent/RU2539678C2/en
Publication of RU2013117078A publication Critical patent/RU2013117078A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2539678C2 publication Critical patent/RU2539678C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: physics, optics.
SUBSTANCE: invention relates to optoelectronics. The method of generating electromagnetic radiation in the terahertz range comprises interaction of directed exciting radiation with the active medium of a sample and obtaining secondary electromagnetic radiation. The active medium of the sample used is material with topological insulator properties, wherein excitation is carried out with pulsed radiation with exciting pulse duration τ=10-12-10-14 s, pulse energy Epul=10-5-10-2 J and wavelength λexc=350-5000 nm, wherein the exciting radiation is directed on the plane of the sample with active medium at an angle α≠90°. The active medium used can be a thin film or crystal of bismuth selenide (Bi2Se3) or bismuth telluride (Bi2Te3). The detecting element used can be zinc telluride (ZnTe).
EFFECT: enabling monitoring and control of generation parameters when exciting materials with topological insulator properties.
5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к оптоэлектронике и может быть использовано для генерации электромагнитного излучения в терагерцовом диапазоне.The invention relates to optoelectronics and can be used to generate electromagnetic radiation in the terahertz range.

Терагерцовое (ТГц) излучение - вид электромагнитного излучения, спектр частот которого расположен между инфракрасным (ИК) и сверхвысокочастотным (СВЧ) диапазонами.Terahertz (THz) radiation is a type of electromagnetic radiation whose frequency spectrum is located between the infrared (IR) and microwave (microwave) ranges.

В изобретении предлагаются способ генерации и два варианта устройства для получения электромагнитного излучения в терагерцовом частотном диапазоне на основе материалов (в частности, объемных кристаллов и тонких пленок Bi2Se3 и Bi2Te3), обладающих свойствами топологического изолятора с возможностью контроля, регистрации и управления параметрами излучения.The invention provides a generation method and two versions of a device for producing electromagnetic radiation in the terahertz frequency range based on materials (in particular bulk crystals and Bi 2 Se 3 and Bi 2 Te 3 thin films) having the properties of a topological insulator with the ability to control, record and control radiation parameters.

Топологическим изолятором (topological insulator - TI) называют особый тип материала, внутри объема который представляет собой диэлектрик (изолятор), а на поверхности проводит электрический ток.A topological insulator (TI) is a special type of material inside which is a dielectric (insulator) and conducts an electric current on the surface.

Известен способ генерации в вакууме электромагнитного излучения в терагерцовом диапазоне (см. патент РФ №2381603, МПК H01S 3/09 от 09.06.2008), заключающийся в рассеивании пучка электронов на углеродной наноструктуре в виде нанотора с магнитным потоком во внутренней полости, при этом пучок электронов направляют вдоль оси нанотора, а магнитный поток во внутренней полости нанотора сформирован в процессе выращивания во внешнем однородном магнитном поле.There is a method of generating electromagnetic radiation in a terahertz range in a vacuum (see RF patent No. 2381603, IPC H01S 3/09 of 09/09/2008), which consists in scattering an electron beam on a carbon nanostructure in the form of a nanotor with a magnetic flux in the internal cavity, while the beam The electrons are directed along the axis of the nanotor, and the magnetic flux in the inner cavity of the nanotor is formed during growth in an external uniform magnetic field.

Недостатком такого способа является сложность реализации, обусловленная необходимостью создания углеродной наноструктуры в виде нанотора с магнитным потоком во внутренней полости.The disadvantage of this method is the difficulty of implementation, due to the need to create a carbon nanostructure in the form of a nanotor with a magnetic flux in the internal cavity.

Известны способ и устройство широкополосной генерации и обнаружения терагерцового излучения (ТГц) (европейская заявка WO 2007121598 (A1) МПК G01N 21/35; H01S 1/02 от 01.11.2007). Терагерцовое излучение генерируется в устройстве, содержащем лазер накачки, генерирующий возбуждающее электромагнитное излучение, оптические кристаллы и оптический детектор.A known method and device for broadband generation and detection of terahertz radiation (THz) (European application WO 2007121598 (A1) IPC G01N 21/35; H01S 1/02 of 01/01/2007). Terahertz radiation is generated in a device containing a pump laser that generates exciting electromagnetic radiation, optical crystals and an optical detector.

При этом используется оптический кристалл из теллурида цинка ZnTe. Выбирается определенное сочетание длин волн и нелинейных материалов кристаллов.An optical crystal made of zinc telluride ZnTe is used. A specific combination of wavelengths and nonlinear crystal materials is selected.

Недостатком такого способа и устройства является недостаточная эффективность и стабильность при получении электромагнитного излучения в терагерцовом диапазоне.The disadvantage of this method and device is the lack of efficiency and stability when receiving electromagnetic radiation in the terahertz range.

Из известных технических решений наиболее близким к предлагаемому способу является способ, реализованный в оптоэлектронном устройстве (см. патент РФ №2273946, МПК H03B 17/00 от 25.05.2004), включающем создание направленного возбуждающего лазерного излучения, взаимодействие его с активной средой образца и получение вторичного электромагнитного излучения в терагерцовом диапазоне.Of the known technical solutions, the closest to the proposed method is a method implemented in an optoelectronic device (see RF patent No. 2273946, IPC H03B 17/00 of 05.25.2004), which includes the creation of directional exciting laser radiation, its interaction with the active medium of the sample and obtaining secondary electromagnetic radiation in the terahertz range.

Наиболее близким к предлагаемым вариантам устройства (2 варианта) является указанное известное оптоэлектронное устройство для генерации ультракоротких электрических импульсов, регистрации формы и измерения мощности импульсов оптического излучения (патент РФ №2273946, МПК H03B 17/00 от 25.05.2004), состоящее из источника света (лазервозбуждающий), преобразователя света в электрический сигнал и электродов, расположенных на поверхности преобразователя света по разные стороны от области, освещаемой источником оптического излучения, и имеющих с ним электрический контакт, отличающееся тем, что преобразователь света выполнен в виде пленки из углеродного материала, обладающего свойством оптического выпрямления, поверхность которой расположена наклонно к падающему пучку от источника света, и дополнительно снабжено устройством для измерения амплитуды, формы и длительности импульсов электрического напряжения.Closest to the proposed device options (2 options) is the specified known optoelectronic device for generating ultrashort electrical pulses, registering the shape and measuring the power of the pulses of optical radiation (RF patent No. 2273946, IPC H03B 17/00 of 05.25.2004), consisting of a light source (laser excitation) of the light to electric signal converter and electrodes located on the surface of the light converter on different sides of the region illuminated by the optical radiation source and having ektrichesky contact, characterized in that the light transmitter is formed as a film of carbon material having the property of optical rectification surface which is inclined to the incident beam from the light source, and is further provided with a device for measuring the amplitude, shape and duration of the voltage pulses.

При этом преобразователь света выполнен в виде пленки, нанесенной на подложку с электропроводностью, существенно более низкой, чем электропроводность материала пленки; электроды расположены между углеродной пленкой и подложкой.In this case, the light converter is made in the form of a film deposited on a substrate with an electrical conductivity substantially lower than the electrical conductivity of the film material; electrodes are located between the carbon film and the substrate.

Устройство дополнительно снабжено расширителем пучка, размещенным между источником ультракоротких импульсов и преобразователем света, а также оптическим устройством для преобразования излучения от источника ультракоротких импульсов света в линейно поляризованное излучение в плоскости, перпендикулярной плоскости пленки, и размещенным между источником и преобразователем света, причем упомянутые электроды выполнены в виде линейных электрических проводников, расположенных параллельно друг другу и перпендикулярно плоскости падения света.The device is additionally equipped with a beam expander located between the source of ultrashort pulses and the light converter, as well as an optical device for converting radiation from the source of ultrashort pulses of light into linearly polarized radiation in a plane perpendicular to the film plane, and placed between the source and the light converter, said electrodes being made in the form of linear electrical conductors parallel to each other and perpendicular to the plane of incidence Sveta.

Недостатком известных способов и устройств получения терагерцового излучения является низкая эффективность, ограниченный спектральный диапазон, а также ограниченные функциональные возможности устройств, реализующих известные способы.A disadvantage of the known methods and devices for producing terahertz radiation is low efficiency, limited spectral range, as well as the limited functionality of devices that implement known methods.

Целью изобретения является создание способа и устройств - источников электромагнитного излучения терагерцового частотного диапазона с заданными параметрами излучения на основе материалов, обладающих свойствами топологического изолятора (объемных кристаллов и тонких пленок Bi2Se3 и Bi2Te3), и с использованием импульсного лазера с длиной волны в видимом - ближнем ИК спектральном диапазоне.The aim of the invention is the creation of a method and devices - sources of electromagnetic radiation of the terahertz frequency range with specified radiation parameters based on materials having the properties of a topological insulator (bulk crystals and thin films Bi 2 Se 3 and Bi 2 Te 3 ), and using a pulsed laser with a length waves in the visible - near IR spectral range.

Технический результат изобретения состоит в устранении недостатков прототипа при разработке способа получения электромагнитного излучения в терагерцовом диапазоне с расширением функциональных возможностей, а именно - с обеспечением возможности управления параметрами генерации (интенсивность, спектр, поляризация, диаграмма направленности излучения) при возбуждении материалов, обладающих свойствами топологического изолятора, лазерным излучением видимого и ближнего ИК спектрального диапазона.The technical result of the invention is to eliminate the disadvantages of the prototype when developing a method for producing electromagnetic radiation in the terahertz range with the expansion of functionality, namely, with the ability to control the generation parameters (intensity, spectrum, polarization, radiation pattern) when exciting materials with the properties of a topological insulator , laser radiation of the visible and near infrared spectral range.

Технический результат, заключающийся в повышении стабильности характеристик получаемого электромагнитного излучения в терагерцовом диапазоне и расширением функциональных возможностей, достигается в предлагаемом способе генерации электромагнитного излучения в терагерцовом диапазоне, заключающемся во взаимодействии направленного возбуждающего излучения с активной средой образца и получении вторичного электромагнитного излучения тем, что в качестве активной среды образца используют материал со свойствами топологического изолятора, при этом возбуждение осуществляют импульсным излучением с длительностью возбуждающих импульсов τ=10-12-10-14 с, энергией в импульсе Еимп=10-5-10-2 Дж и длиной волны λвозб=350-5000 нм, причем возбуждающее излучение направляют на плоскость образца с активной средой под углом α≠90°.The technical result, which consists in increasing the stability of the characteristics of the received electromagnetic radiation in the terahertz range and expanding the functionality, is achieved in the proposed method for generating electromagnetic radiation in the terahertz range, which consists in the interaction of directional exciting radiation with the active medium of the sample and obtaining secondary electromagnetic radiation in that as the active medium of the sample use a material with the properties of a topological isolate ora, while the excitation is carried out by pulsed radiation with a duration of exciting pulses τ = 10 -12 -10 -14 s, energy per pulse E imp = 10 -5 -10 -2 J and wavelength λ exc = 350-5000 nm, and exciting radiation is directed to the plane of the sample with the active medium at an angle α ≠ 90 °.

При этом в качестве активной среды используют тонкую пленку или кристалл селенида висмута (Bi2Se3) или теллурида висмута (Bi2Te3).In this case, a thin film or a crystal of bismuth selenide (Bi 2 Se 3 ) or bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) is used as the active medium.

Технический результат, заключающийся в повышении стабильности получаемого электромагнитного излучения в терагерцовом диапазоне с расширением функциональных возможностей, достигается в первом варианте предлагаемого устройства для получения электромагнитного излучения в терагерцовом диапазоне, содержащего лазер накачки, оптически связанный через волновую пластинку с образцом, выполненным из материала активной среды, тем, что образец выполнен из материала топологического изолятора с соединением Bi2Se3 или Bi2Te3, при этом указанный образец оптически связан через последовательно расположенные оптический фильтр и поляризатор с оптоакустическим преобразователем, выполненным, например, в виде ячейки Голея и подключенным к синхронному детектору, причем плоскость образца с активной средой ориентирована по отношению к оптической оси лазера накачки под углом α≠90°.The technical result, which consists in increasing the stability of the obtained electromagnetic radiation in the terahertz range with enhanced functionality, is achieved in the first embodiment of the proposed device for producing electromagnetic radiation in the terahertz range containing a pump laser optically coupled through a wave plate to a sample made of active medium material, the sample is made of a material topological insulator with a compound of Bi 2 Se 3 or Bi 2 Te 3, wherein said on sample is optically coupled through sequentially located the optical filter and polarizer with photoacoustic transducer formed, for example as a Golay cell and connected to the synchronous detector, wherein the sample plane with an active medium is oriented relative to the optical axis of the pumping laser at an angle α ≠ 90 °.

Указанный технический результат, достигается во втором варианте предлагаемого устройства для получения электромагнитного излучения в терагерцовом диапазоне, содержащего лазер накачки, оптически связанный с одной стороны через делительную пластинку с образцом, выполненным из материала активной среды, тем, что образец выполнен из материала топологического изолятора с соединением Bi2Se3 или Bi2Te3, который связан через последовательно расположенные на оптической оси фокусирующую линзу, полупрозрачное зеркало, кристаллический детектирующий элемент (теллурид цинка ZnTe), четвертьволновую пластинку и призму Волластона с балансным фотодетектором, подключенным к регистратору, например осциллографу, причем лазер накачки оптически связан с другой стороны через указанную делительную пластинку, линию задержки и отражательное зеркало с упомянутым полупрозрачным зеркалом, плоскость которого ориентирована под углом 45° к оси оптического канала.The specified technical result is achieved in the second embodiment of the proposed device for producing electromagnetic radiation in the terahertz range, comprising a pump laser optically coupled on one side through a dividing plate with a sample made of active medium material, in that the sample is made of a topological insulator material with a connection Bi 2 Se 3 or Bi 2 Te 3 , which is connected through a focusing lens located sequentially on the optical axis, a translucent mirror, crystalline detector a measuring element (ZnTe zinc telluride), a quarter-wave plate and a Wollaston prism with a balanced photodetector connected to a recorder, for example, an oscilloscope, the pump laser being optically coupled from the other side through the indicated dividing plate, the delay line and a reflective mirror with the said translucent mirror, the plane of which is oriented at an angle of 45 ° to the axis of the optical channel.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:The invention is illustrated by drawings, where:

- на фиг.1 представлена функциональная схема первого варианта устройства, реализующего предлагаемый способ;- figure 1 presents a functional diagram of a first embodiment of a device that implements the proposed method;

- на фиг.2 представлена функциональная схема второго варианта устройства, реализующего предлагаемый способ.- figure 2 presents the functional diagram of the second variant of the device that implements the proposed method.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.The proposed method is as follows.

Выходное излучение импульсного лазера с длительностью импульсов τ=10-12-10-14 с, энергией в импульсе Еимп=10-5-10-2 Дж и длиной волны λвозб=350-5000 нм, направленное на образец с активной средой. В качестве такого образца используют пленку или кристалл со свойствами топологического изолятора. В предлагаемом способе в качестве такого материала используют тонкую пленку или кристалл селенида висмута (Bi2Se3) или теллурида висмута (Bi2Te3). При этом возбуждающее излучение направляют на плоскость образца с активной средой под углом α≠90°. В результате взаимодействия направленного импульсного лазерного излучения в образце из топологического изолятора возбуждается вторичное электромагнитное излучение терагерцового диапазона.The output radiation of a pulsed laser with a pulse duration of τ = 10 -12 -10 -14 s, energy per pulse E imp = 10 -5 -10 -2 J and wavelength λ exc = 350-5000 nm, directed to a sample with an active medium. A film or crystal with the properties of a topological insulator is used as such a sample. In the proposed method, a thin film or a crystal of bismuth selenide (Bi 2 Se 3 ) or bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) is used as such material. In this case, the exciting radiation is directed onto the plane of the sample with the active medium at an angle α ≠ 90 °. As a result of the interaction of directed pulsed laser radiation in the sample from the topological insulator, secondary electromagnetic radiation of the terahertz range is excited.

Первый вариант устройства (фиг.1), реализующего предлагаемый способ, содержит лазер 1 накачки, предназначенный для возбуждения активной среды образца 2, волновую пластинку 3 (полуволновую или четвертьволновую), при этом плоскость образца 2 с активной средой ориентирована по отношению к оптической оси лазера накачки под углом α≠90°.The first embodiment of the device (Fig. 1) that implements the proposed method comprises a pump laser 1 designed to excite the active medium of sample 2, a wave plate 3 (half-wave or quarter-wave), while the plane of sample 2 with the active medium is oriented with respect to the optical axis of the laser pumping at an angle α ≠ 90 °.

Образец 2 с активной средой оптически связан через последовательно расположенные оптический фильтр 4 и поляризатор 5 с оптоакустическим преобразователем 6, выполненным, например, в виде ячейки Голея и подключенным к синхронному детектору 7.Sample 2 with the active medium is optically coupled through a sequentially located optical filter 4 and a polarizer 5 with an optoacoustic transducer 6, made, for example, in the form of a Golee cell and connected to a synchronous detector 7.

Ячейка Голея - оптоакустический преобразователь (ОАП) - приемник излучения. Основой диапазон измерений: терагерцовое и ближнее ИК-излучение.Golay cell - optoacoustic transducer (OAP) - radiation receiver. The basis of the measurement range: terahertz and near infrared radiation.

На фиг.1 и фиг.2 импульсное возбуждающее электромагнитное излучение условно обозначено поз.8, а вторичное электромагнитное излучение терагерцового диапазона обозначено затушеванной стрелкой с поз.9.In figure 1 and figure 2, the pulsed exciting electromagnetic radiation is conventionally indicated by pos. 8, and the secondary electromagnetic radiation of the terahertz range is indicated by a shaded arrow with pos. 9.

Второй вариант устройства (фиг.2), реализующий предлагаемый способ, содержит лазер 1 накачки, предназначенный для возбуждения активной среды образца 2. С одной стороны лазер 1 оптически связан через делительную пластинку 10 с образцом 2, который связан через последовательно расположенные на оптической оси фокусирующую линзу 11, полупрозрачное зеркало 12, кристаллический детектирующий элемент 13 (теллурид цинка ZnTe), четвертьволновую пластинку 14 и призму Волластона 15 с балансным фотодетектором 16, подключенным к регистратору 17, например осциллографу.The second embodiment of the device (Fig. 2), which implements the proposed method, comprises a pump laser 1 designed to excite the active medium of sample 2. On the one hand, laser 1 is optically coupled through a dividing plate 10 to sample 2, which is connected through a focusing axis located on the optical axis a lens 11, a translucent mirror 12, a crystalline detecting element 13 (zinc telluride ZnTe), a quarter-wave plate 14 and a Wollaston prism 15 with a balanced photodetector 16 connected to a recorder 17, for example, an oscilloscope AFD.

С другой стороны лазер 1 накачки оптически связан через указанную делительную пластинку 10, линию задержки 18 и отражательное зеркало 19 с полупрозрачным зеркалом 12, плоскость которого ориентирована под углом 45° к оси оптического канала.On the other hand, the pump laser 1 is optically coupled through said dividing plate 10, a delay line 18, and a reflective mirror 19 with a translucent mirror 12, the plane of which is oriented at an angle of 45 ° to the axis of the optical channel.

Устройство по первому варианту (фиг.1) работает следующим образом.The device according to the first embodiment (figure 1) works as follows.

Лазер накачки 1 генерирует импульсное возбуждающее излучение с длительностью импульсов t=10-12-10-14 с, энергией в импульсе Eимп=10-5-10-2 Дж и длиной волны λвозб=350-5000 нм, направленное на образец с активной средой, выполненный в виде пленки кристалла топологического изолятора.The pump laser 1 generates pulsed exciting radiation with a pulse duration of t = 10 -12 -10 -14 S, pulse energy E imp = 10 -5 -10 -2 J and wavelength λ exc = 350-5000 nm, directed at the sample with active medium, made in the form of a film of a crystal of a topological insulator.

Полуволновая (четвертьволновая) пластинка 3, установленная между лазером 1 и образцом 2, используется для преобразовании поляризации лазерного излучения из произвольной в линейную и поворота плоскости линейной поляризации за счет поворота пластины вокруг своей оси (для преобразования поляризации лазерного излучения из произвольной в круговую и изменения степени эллиптичности поляризации. При этом активной средой образца 2 (топологическим изолятором) генерируется терагерцовое излучение 9. Оптический фильтр 4 и поляризатор 5, установленные на оптической оси, используются для разделения оптического и терагерцового излучения, а оптоакустический преобразователь (ячейка Голея) используется для детектирования (преобразования) терагерцового излучения в электрический сигнал, поступающий на синхронный детектор 7, который усиливает полезный сигнал с увеличением отношения сигнал/шум.The half-wave (quarter-wave) plate 3, mounted between the laser 1 and sample 2, is used to convert the polarization of laser radiation from arbitrary to linear and to rotate the plane of linear polarization by rotating the plate around its axis (to convert the polarization of laser radiation from arbitrary to circular and varying degrees In this case, terahertz radiation 9 is generated by the active medium of sample 2 (topological insulator). Optical filter 4 and polarizer 5, installed located on the optical axis are used to separate the optical and terahertz radiation, and the optoacoustic transducer (the Golay cell) is used to detect (convert) terahertz radiation into an electrical signal fed to the synchronous detector 7, which amplifies the useful signal with increasing signal-to-noise ratio.

В первом варианте устройства (фиг.1) для разделения оптического излучения и сгенерированного ТГц излучения оптическое излучение подавляется с помощью оптически поглощающего фильтра 4 (например черной бумаги), расположенного после образца 2. Выделение линейной поляризации ТГц излучения осуществляется с помощью поляризатора 5 (например, проволочного). Вращение поляризатора 5 вокруг своей оси позволяет изменять мощность сгенерированного ТГц сигнала. Регистрация амплитуды ТГц поля осуществляется с помощью детектора 6 на основе оптоакустического преобразователя (ячейки Голея), подключенного к синхронному детектору 7.In the first embodiment of the device (Fig. 1) for separating optical radiation and generated THz radiation, optical radiation is suppressed using an optically absorbing filter 4 (for example black paper) located after sample 2. The linear polarization of THz radiation is extracted using a polarizer 5 (for example, wire). The rotation of the polarizer 5 around its axis allows you to change the power of the generated THz signal. The amplitude of the THz field is recorded using a detector 6 based on an optoacoustic transducer (Golay cell) connected to a synchronous detector 7.

Устройство по второму варианту (фиг.2) работает следующим образом.The device according to the second embodiment (figure 2) works as follows.

Лазер накачки 1 генерирует импульсное возбуждающее излучение с длительностью импульсов t=10-12-10-14 с, энергией в импульсе Eимп=10-5-10-2 Дж и длиной волны λвозб=350-5000 нм, направленное на образец с активной средой, выполненный в виде пленки кристалла топологического изолятора.The pump laser 1 generates pulsed exciting radiation with a pulse duration of t = 10 -12 -10 -14 S, pulse energy E imp = 10 -5 -10 -2 J and wavelength λ exc = 350-5000 nm, directed at the sample with active medium, made in the form of a film of a crystal of a topological insulator.

Делительная пластина 10, установленная между лазером 1 и образцом 2, разделяет пучок лазерного излучения на два: основной (более мощный) и вспомогательный (более слабый). Активная среда образца 2 (топологического изолятора) генерирует терагерцовое излучение.A dividing plate 10, mounted between the laser 1 and the sample 2, divides the laser beam into two: the main (more powerful) and auxiliary (weaker). The active medium of sample 2 (topological insulator) generates terahertz radiation.

Далее терагерцовое излучение поступает на фокусирующую линзу 11, предназначенную для фокусировки терагерцового излучения, и полупрозрачное зеркало 12, выполненное из материала, прозрачного для терагерцового излучения и отражающего оптическое излучение. С другой стороны лазерное излучение поступает от делительной пластинки 10 через линию задержки 18 и отражательное зеркало 19 на упомянутое полупрозрачное зеркало 12, которое используется для совмещения пучков терагерцового и лазерного излучения.Next, terahertz radiation enters the focusing lens 11, intended for focusing terahertz radiation, and a translucent mirror 12 made of a material transparent to terahertz radiation and reflecting optical radiation. On the other hand, the laser radiation comes from the dividing plate 10 through the delay line 18 and the reflection mirror 19 to the said translucent mirror 12, which is used to combine the beams of terahertz and laser radiation.

Указанная схема образует балансный детектор, который используется для детектирования терагерцового излучения и определения его временной формы и спектрального состава. Линия задержки 18 выполнена в виде двух зеркал, ориентированных под углом 90° друг к другу и размещенных на подвижном оптическом столике, оснащенном микрометрическим винтом (на чертеже не показаны). Линия задержки 18 используется для изменения времени задержки между импульсами терагерцового и лазерного излучения.The indicated circuit forms a balanced detector, which is used to detect terahertz radiation and determine its temporal shape and spectral composition. The delay line 18 is made in the form of two mirrors oriented at an angle of 90 ° to each other and placed on a movable optical table equipped with a micrometer screw (not shown in the drawing). The delay line 18 is used to change the delay time between pulses of terahertz and laser radiation.

После полупрозрачного зеркала 12 излучение поступает на кристаллический детектирующий элемент 13 (теллурид цинка ZnTe), предназначенный для детектирования терагерцового излучения за счет двулучепреломления, наведенного терагерцовой волной. Четвертьволновая пластинка 14, установленная после элемента 13, используется для выравнивания интенсивностей ортогонально поляризованных световых волн, возникающих в кристалле ZnTe в результате двулучепреломления. После этого излучение поступает на призму Волластона 15, используемую для пространственного разделения ортогонально поляризованных лучей, и далее на балансный фотоприемник 16, который осуществляет преобразование оптического излучения в электрический сигнал, поступающий на регистратор 17, например осциллограф, с помощью которого осуществляется регистрация амплитуды и временной формы сигналов с фотоприемника.After the translucent mirror 12, the radiation enters the crystalline detecting element 13 (zinc telluride ZnTe), designed to detect terahertz radiation due to birefringence induced by the terahertz wave. The quarter-wave plate 14, installed after the element 13, is used to equalize the intensities of the orthogonally polarized light waves arising in the ZnTe crystal as a result of birefringence. After that, the radiation enters the Wollaston prism 15, used for spatial separation of orthogonally polarized rays, and then to the balanced photodetector 16, which converts the optical radiation into an electrical signal fed to the recorder 17, for example, an oscilloscope, with which the amplitude and time shape are recorded signals from the photodetector.

Отличие второго варианта устройства от первого заключается в системе регистрации сгенерированного ТГц излучения, которая позволяет регистрировать не только амплитуду поля, но и форму ТГц импульса (спектр). В данной схеме (фиг.2) сгенерированное в кристалле (тонкой пленке) топологического изолятора ТГц излучение собирается тефлоновой линзой 11 (или параболическим зеркалом), а затем фокусируется на электрооптическом кристалле ZnTe 13. Слабый зондирующий лазерный пучок, пройдя через линию задержки 18, также попадает на кристалл ZnTe 13. Измерение временной формы ТГц импульса, индуцированного в образце 2, осуществляется изменением временной задержки между генерирующим и зондирующим оптическими пучками. Для регистрации ТГц импульсов используются четвертьволновая пластина 14, призма Волластона 15 и два сбалансированных фотодиода 16. Разностный сигнал с фотодиодов после усиления направлялся в регистратор 17 (осциллограф или компьютер для дальнейшей обработки). Последующее Фурье преобразование временной развертки ТГц импульсов позволяет определять спектральный состав индуцированного ТГц импульса.The difference between the second version of the device and the first lies in the registration system of the generated THz radiation, which allows you to register not only the amplitude of the field, but also the shape of the THz pulse (spectrum). In this scheme (Fig. 2), the radiation generated in a crystal (thin film) of a THz topological insulator is collected by a Teflon lens 11 (or a parabolic mirror), and then focuses on an ZnTe 13 electro-optical crystal. A weak probe laser beam passing through delay line 18 also hits the ZnTe 13 crystal. Measurement of the temporal shape of the THz pulse induced in sample 2 is carried out by changing the time delay between the generating and probing optical beams. To register the THz pulses, a quarter-wave plate 14, a Wollaston prism 15, and two balanced photodiodes 16 are used. After the amplification, the difference signal from the photodiodes was sent to a recorder 17 (an oscilloscope or a computer for further processing). The subsequent Fourier transform of the time base of the THz pulse allows one to determine the spectral composition of the induced THz pulse.

Технический результат, достигнутый в изобретении, состоит в создании эффективного способа генерации и устройств получения электромагнитного излучения в терагерцовом диапазоне с возможностью контроля и управления параметрами генерации (интенсивность, спектр, поляризация, диаграмма направленности излучения) при возбуждении материалов, обладающих свойствами топологического изолятора.The technical result achieved in the invention is to create an effective method of generation and devices for producing electromagnetic radiation in the terahertz range with the ability to control and control the generation parameters (intensity, spectrum, polarization, radiation pattern) when exciting materials with the properties of a topological insulator.

Изобретение было реализовано в лабораторных условиях с использованием современных средств лазерной техники, оптоэлектроники и микроэлектроники.The invention was realized in laboratory conditions using modern laser technology, optoelectronics and microelectronics.

Claims (5)

1. Способ генерации электромагнитного излучения в терагерцовом диапазоне, заключающийся во взаимодействии направленного возбуждающего излучения с активной средой образца и получении вторичного электромагнитного излучения, отличающийся тем, что в качестве активной среды образца используют материал со свойствами топологического изолятора, при этом возбуждение осуществляют импульсным излучением с длительностью возбуждающих импульсов τ=10-12-1014 с, энергией в импульсе Еимп=10-5-10-2 Дж и длиной волны λвозб=350-5000 нм, причем возбуждающее излучение направляют на плоскость образца с активной средой под углом α≠90°.1. The method of generating electromagnetic radiation in the terahertz range, which consists in the interaction of directed exciting radiation with the active medium of the sample and obtaining secondary electromagnetic radiation, characterized in that the material with the properties of a topological insulator is used as the active medium of the sample, while the excitation is carried out by pulsed radiation with a duration excitation pulses τ = 10 -12 -10 14 s, a pulse energy E imp = 10 -5 -2 -10 J and a wavelength λ exc = 350-5000 nm, wherein the exciting of teaching is directed at the sample plane with an active medium at an angle α ≠ 90 °. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве активной среды используют тонкую пленку или кристалл селенида висмута (Bi2Se3).2. The method according to claim 1, characterized in that a thin film or a crystal of bismuth selenide (Bi 2 Se 3 ) is used as the active medium. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве активной среды используют тонкую пленку или кристалл теллурида висмута (Bi2Te3).3. The method according to claim 1, characterized in that a thin film or a crystal of bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) is used as the active medium. 4. Устройство для получения электромагнитного излучения в терагерцовом диапазоне, содержащее лазер накачки, оптически связанный через волновую пластинку с образцом, выполненным из материала активной среды, отличающееся тем, что образец выполнен из материала топологического изолятора с соединением Bi2Se3 или Bi2Te3, при этом указанный образец оптически связан через последовательно расположенные оптический фильтр и поляризатор с оптоакустическим преобразователем, выполненным в виде ячейки Голея, и подключенным к синхронному детектору, причем плоскость образца с активной средой ориентирована по отношению к оптической оси лазера накачки под углом α≠90°.4. A device for producing electromagnetic radiation in the terahertz range, comprising a pump laser optically coupled through a wave plate to a sample made of active medium material, characterized in that the sample is made of a topological insulator material with a Bi 2 Se 3 or Bi 2 Te 3 connection wherein said sample is optically coupled through a sequentially located optical filter and a polarizer with an optoacoustic transducer made in the form of a Golay cell and connected to a synchronous detector, p In addition, the plane of the sample with the active medium is oriented with respect to the optical axis of the pump laser at an angle α ≠ 90 °. 5. Устройство для получения электромагнитного излучения в терагерцовом диапазоне, содержащее лазер накачки, оптически связанный с одной стороны через делительную пластинку с образцом, выполненным из материала активной среды, отличающееся тем, что образец выполнен из материала топологического изолятора с соединением Bi2Se3 или Bi2Te3, который связан через последовательно расположенные на оптической оси фокусирующую линзу, полупрозрачное зеркало, кристаллический детектирующий элемент, четвертьволновую пластинку и призму Волластона с балансным фотодетектором, подключенным к регистратору, причем лазер накачки оптически связан с другой стороны через указанную делительную пластинку, линию задержки и отражательное зеркало с упомянутым полупрозрачным зеркалом, плоскость которого ориентирована под углом 45° к оси оптического канала. 5. A device for producing electromagnetic radiation in the terahertz range, comprising a pump laser optically coupled on one side through a dividing plate with a sample made of active medium material, characterized in that the sample is made of a topological insulator material with a Bi 2 Se 3 or Bi connection 2 Te 3 , which is connected through a focusing lens, a translucent mirror, a crystalline detecting element, a quarter-wave plate, and a Wollaston prism with a ba a photodetector connected to a recorder, the pump laser being optically coupled on the other side through said dividing plate, a delay line, and a reflective mirror with said translucent mirror, the plane of which is oriented at an angle of 45 ° to the axis of the optical channel.
RU2013117078/28A 2013-04-16 2013-04-16 Method of generating electromagnetic radiation in terahertz range and apparatus for generating electromagnetic radiation in terahertz range RU2539678C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013117078/28A RU2539678C2 (en) 2013-04-16 2013-04-16 Method of generating electromagnetic radiation in terahertz range and apparatus for generating electromagnetic radiation in terahertz range

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013117078/28A RU2539678C2 (en) 2013-04-16 2013-04-16 Method of generating electromagnetic radiation in terahertz range and apparatus for generating electromagnetic radiation in terahertz range

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013117078A RU2013117078A (en) 2014-11-10
RU2539678C2 true RU2539678C2 (en) 2015-01-20

Family

ID=53288659

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013117078/28A RU2539678C2 (en) 2013-04-16 2013-04-16 Method of generating electromagnetic radiation in terahertz range and apparatus for generating electromagnetic radiation in terahertz range

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2539678C2 (en)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2617561C1 (en) * 2015-11-13 2017-04-25 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) Application of nonlinear crystal of lithium triborath (lbo) for the phase-consistent generation of radiation of the teregerz range
RU170865U1 (en) * 2016-12-20 2017-05-11 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) Pulse generator of broadband terahertz radiation
RU2664967C1 (en) * 2017-12-27 2018-08-24 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Method of generating terahertz pulses based on thermoelastic effect
RU2687985C2 (en) * 2017-06-05 2019-05-17 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Broadband radio transmitter
RU2690064C2 (en) * 2017-05-15 2019-05-30 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Method for generation of electromagnetic radiation in wide range of radio communication
RU2690066C2 (en) * 2017-05-15 2019-05-30 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Broadband antenna
CN111239175A (en) * 2020-03-12 2020-06-05 福州大学 Three-dimensional topological insulator Bi2Te3Method for distinguishing upper and lower surface state photoinduced anomalous Hall current
RU210996U1 (en) * 2021-12-29 2022-05-17 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) THz pulse generator - radiation

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114784128B (en) * 2022-03-25 2024-04-02 国科大杭州高等研究院 Topology enhanced antimony telluride terahertz photoelectric detector based on butterfly antenna structure and preparation method thereof

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2273946C2 (en) * 2004-05-25 2006-04-10 Геннадий Михайлович Михеев Optic-electronic device
US7480434B2 (en) * 2006-07-25 2009-01-20 California Institute Of Technology Low loss terahertz waveguides, and terahertz generation with nonlinear optical systems
RU2011108214A (en) * 2008-08-07 2012-09-20 Роберт Бош ГмбХ (DE) Source of terahertz radiation and method of generating terahertz radiation
RU2478243C1 (en) * 2011-11-11 2013-03-27 Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН Frequency-tuned far-infrared and terahertz coherent source on semiconductor nanoheterostructure

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2273946C2 (en) * 2004-05-25 2006-04-10 Геннадий Михайлович Михеев Optic-electronic device
US7480434B2 (en) * 2006-07-25 2009-01-20 California Institute Of Technology Low loss terahertz waveguides, and terahertz generation with nonlinear optical systems
RU2011108214A (en) * 2008-08-07 2012-09-20 Роберт Бош ГмбХ (DE) Source of terahertz radiation and method of generating terahertz radiation
RU2478243C1 (en) * 2011-11-11 2013-03-27 Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН Frequency-tuned far-infrared and terahertz coherent source on semiconductor nanoheterostructure

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2617561C1 (en) * 2015-11-13 2017-04-25 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) Application of nonlinear crystal of lithium triborath (lbo) for the phase-consistent generation of radiation of the teregerz range
RU170865U1 (en) * 2016-12-20 2017-05-11 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) Pulse generator of broadband terahertz radiation
RU2690064C2 (en) * 2017-05-15 2019-05-30 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Method for generation of electromagnetic radiation in wide range of radio communication
RU2690066C2 (en) * 2017-05-15 2019-05-30 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Broadband antenna
RU2687985C2 (en) * 2017-06-05 2019-05-17 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Broadband radio transmitter
RU2664967C1 (en) * 2017-12-27 2018-08-24 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Method of generating terahertz pulses based on thermoelastic effect
CN111239175A (en) * 2020-03-12 2020-06-05 福州大学 Three-dimensional topological insulator Bi2Te3Method for distinguishing upper and lower surface state photoinduced anomalous Hall current
CN111239175B (en) * 2020-03-12 2021-04-27 福州大学 Three-dimensional topological insulator Bi2Te3Method for distinguishing upper and lower surface state photoinduced anomalous Hall current
RU210996U1 (en) * 2021-12-29 2022-05-17 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ" (НИЯУ МИФИ) THz pulse generator - radiation

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013117078A (en) 2014-11-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2539678C2 (en) Method of generating electromagnetic radiation in terahertz range and apparatus for generating electromagnetic radiation in terahertz range
Hu et al. Free‐space radiation from electro‐optic crystals
US5952818A (en) Electro-optical sensing apparatus and method for characterizing free-space electromagnetic radiation
US6111416A (en) Electro-optical and magneto-optical sensing apparatus and method for characterizing free-space electromagnetic radiation
US8415625B2 (en) Total reflection terahertz wave measurement device
US8742353B2 (en) Single terahertz wave time-waveform measuring device
JP3950818B2 (en) Reflective terahertz spectrometer and measurement method
JP6386655B2 (en) Terahertz wave generator and spectroscopic device using the same
US7498593B2 (en) Terahertz radiation sources and methods
JP6182471B2 (en) Terahertz wave phase difference measurement system
JP2009300108A (en) Terahertz spectroscopic device
JP6238058B2 (en) Terahertz spectroscopy system
WO2003028173A1 (en) Terahertz light apparatus
JP3598375B2 (en) Terahertz electromagnetic wave time-resolved spectrometer
RU2448399C2 (en) Method of detecting electromagnetic waves in terahertz range and apparatus for realising said method
US20060049356A1 (en) Terahertz spectroscopy
JP2005315708A (en) Measuring apparatus for physical property using terahertz electromagnetic wave
CN113655018B (en) Terahertz time-domain spectroscopy system for microstructure characterization of multiferroic material
JP5618119B2 (en) Terahertz light detection element and optical equipment
RU105738U1 (en) SMALL THERAHZ SPECTROMETER
JP2017208541A (en) Device and method for generating frequency shift terahertz waves, device and method for measuring frequency shift terahertz waves, device and method for detecting tomographic state, and device and method for measuring sample characteristic
CN208026605U (en) A kind of terahertz time-domain spectroscopy instrument device of miniaturization
Jiang et al. Free-space electro-optic techniques
KR20170089613A (en) Terahertz device
CN219799227U (en) Infrared spectrum measurement system based on miniature quartz tuning fork detector