Уникальные квазиоптические узкополосные фильтры для импульсной терагерцовой спектроскопии создали научные сотрудники Лаборатории функциональной диагностики низкоразмерных структур для наноэлектроники Аналитического и технологического исследовательского центра «Высокие технологии и наноструктурированные материалы» Физического факультета Новосибирского государственного университета и лаборатории терагерцовой фотоники Института автоматики и электрометрии СО РАН. Данное изобретение было создано в рамках их работы, направленной на развитие методов и техники фильтрации и субдискретизации в импульсной терагерцовой спектроскопии. Оно позволяет исследовать образцы не во всем терагерцовом диапазоне, как это делалось ранее, а лишь в определенной его части, в которой это необходимо для достижения поставленной задачи, экономя время и ресурсы без ущерба для точности результатов и достоверности полученных спектров.
Широкое применение данные фильтры могут найти в терагерцовых исследованиях полупроводниковых материалов и кристаллов, которые будут использоваться при создании различных приборов, а также для получения более сложных устройств, метаматериалов и метаповерхностей для устройств будущего телекоммуникационного диапазона 6G. Возможно и их применение в исследовании биологических объектов.
Импульсная терагерцовая спектроскопия – относительно новый спектроскопический метод исследования, основанный на электромагнитных переходных процессах, генерируемых фемтосекундными лазерными импульсами. Эти процессы происходят на субпикосекундных временных масштабах и генерируют одиночные периодические колебания электромагнитного поля со спектром от 50 Ггц до 6 ТГц и выше.
— Терагерцовый диапазон находится между инфракрасным и радиодиапазонами, он небольшой и долгое время был недоступен исследователям из-за отсутствия технических возможностей. Его изучение происходило с двух сторон: со стороны освоения радиодиапазона и со стороны фотоники. Примечательно, что терагерцовый диапазон совмещает в себе как оптические методы, так и радиофизические, — объяснила научный сотрудник АТИЦ НГУ, младший научный сотрудник лаборатории терагерцовой фотоники ИАиЭ СО РАН Алина Рыбак.
Исследователи применили уже известные в радиофизике методы фильтрации и субдискретизации в терагерцовом диапазоне, для того чтобы ускорить время измерения на спектрометре. Для этого на основе интерференционных метаповерхностей ими были разработаны квазиоптические узкополосные фильтры, которые позволяли выделять необходимый терагерцовый диапазон. С помощью этих фильтров и применения метода субдискретизации удалось сократить время измерения на спектрометре без потери точности полученных результатов.
— Использованные нами методы давно известны, но ранее в терагерцовом диапазоне не применялись. Мы стали первыми в мире, кому удалось доказать, что метод субдискретизации работает в данном диапазоне и его целесообразно применять. Идея создания узкополосного фильтра принадлежит моему научному руководителю, заведующему лабораторией терагерцовой фотоники ИАиЭ СО РАН Назару Николаеву. Полоса пропускания фильтра составляет всего лишь 4%. Частота выбрана с целью детектирования узкой линии поглощения газа СО в локальном окне прозрачности атмосферы. Разработанный нами фильтр основан на эталоне Фабри-Перо и представляет собой полипропиленовую пленку с нанесенными с обеих сторон частотно-избирательными поверхностями в форме квадратных прорезей, выполненных из алюминия. Посредством численного моделирования пропускания нами были определены оптимальные геометрические параметры элементарной ячейки его структуры, — рассказала Алина Рыбак.
Численное моделирование производилось с использованием лицензионной программы Ansys HFSS в лаборатории функциональной диагностики низкоразмерных структур для наноэлектроники АТИЦ ФФ НГУ. На основе полученных данных были изготовлены образцы фильтров методом фотолитографии. С их применением Алина Рыбак провела исследование модельных образцов, которое стало основой ее диссертационной работы на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Исследовать весь диапазон терагерцового излучения в данном случае не было необходимости. С помощью узкополосного фильтра ей удалось выделить нужный для исследования диапазон во всем широком спектре, и изучить материал уже в интересуемой области спектра, при этом сократить время измерения до двух раз без потери точности измерения.
На основе своей диссертации Алина Рыбак планирует продолжить работу в данном направлении – уже изготовлены фильтры нового модифицированного дизайна для реализации метода субдискретизации для терагерцового имиджинга.
– Это уже терагерцовый имиджинг, то есть визуализация объектов с использованием терагерцового излучения, в некоторой степени это можно сравнить с рентгеновскими снимками. Он может применяться для исследования биологических объектов, в том числе в медицинской диагностике, поскольку терагерцовое излучение неионизирующее, и поэтому безопасно для человека, однако здесь его возможности ограничены — терагерцовое излучение не проникает в глубокие ткани организма из-за высокого поглощения. Также терагерцовый имиджинг можно использовать для исследования различных полупроводниковых материалов без нарушения их структуры. Данное излучение легко проходит сквозь большинство диэлектриков, но сильно поглощается проводящими материалами. Например, дерево, пластик, бумага для него прозрачны, а металл и вода непроницаемы, — пояснила Алина Рыбак.
В настоящее время она со своей коллегой младшим научным сотрудником АТИЦ ФФ Аленой Богословцевой исследуют в терагерцовом диапазоне пленки нитрида алюминия. Специально для этого были выращены толстые образцы из этого химического соединения.
— Для успешного применения нитрида алюминия в терагерцовой фотонике необходимо провести всестороннее исследование его оптических свойств, а также изучить взаимодействие с терагерцовым излучением, этим мы, собственно, и занимаемся сейчас. Это поможет оптимизировать его использование в различных устройствах и системах, в том числе и для терагерцовой спектроскопии, — рассказала Алина Рыбак.
