Методы исследования поверхностей с помощью терагерцового излучения лазера на свободных электронах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат наук Герасимов, Василий Валерьевич

• Герасимов, Василий Валерьевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Герасимов, Василий Валерьевич

Содержание

Введение

Глава 1. Методы генерации и детектирования ТГц излучения

1.1. Импульсное терагерцовое излучение

1.2. Лазер на свободных электронах

Глава 2. Детекторы терагерцового излучения

2.1. Ячейка Голея

2.2. Криогенный болометр на горячих электронах

2.3. Матричный микроболометрический приемник

2.3.1. Устройство и характеристики ММБП в ТГц диапазоне

2.3.2. Исследование чувствительности ММБП к ТГц излучению

2.3.3. Измерение абсолютной интегральной чувствительности

2.3.4. Исследование влияния многолучевой интерференции па чувствительность приемника

2.4. Результаты и выводы по главе 2

Глава 3. Изображающая терагерцовая спектроскопия нарушенного полного внутреннего отражения

3.1. Спектроскопия нарушенного полного внутреннего отражения

3.2. Фурье-спектроскопия НПВО

3.2.1. Спектры НПВО жидкостей и порошков

3.2.2. Определение комплексного показателя преломления с помощью преобразования Крамерса - Кронига

3.2.3. Определение комплексного показателя преломления при фиксированной длине волны

3.3. Изображающий спектрометр НПВО

3.4. Эксперименты на Новосибирском ЛСЭ

3.5. Результаты и выводы по главе 3

Глава 4. Исследование поверхностных плазмон-поляритонов в терагерцовом диапазоне

4.1. Поверхностные плазмон-поляритоны

4.2. Оптические характеристики металлов в ТГц диапазоне

4.2.1. О применимости модели Друде в ТГц диапазоне

4.2.2. Расчеты характеристик ППП в ТГц диапазоне на границе золото-воздух и золото-диэлектрик-воздух

4.3. Методы захвата и регистрации lililí

4.4. Методы диагностики ППП

4.5. Эксперименты на НЛСЭ и сравнение с теорией

4.5.1. Эксперименты по исследованию дифракции ППП на проводящем крае образца

4.5.2. Теория дифракции ППП на прямоугольном крае

4.5.3. Сравнение теории с экспериментом

4.5.4. Длина распространения ППП вдоль плоской границы

4.5.5. Эксперименты на цилиндрических образцах

4.5.6. Измерение радиационных потерь ППП

4.5.7. Прохождение ППП через воздушные промежутки

4.6. Результаты и выводы по главе 4

Заключение

Приложение

Литература

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы исследования поверхностей с помощью терагерцового излучения лазера на свободных электронах»

Введение

В спектре электромагнитного излучения Терагерцовое (субмиллиметровое) излучение находится между СВЧ и ИК-диапазонами. В оптике эту область спектра называют дальним инфракрасным диапазоном. К нему условно относят диапазон длин волн от 30 мкм до 300 мкм, или по шкале частот от 1 ТГц до ЮТГц (30-330 см-1). Частоте 1 ТГц соответствует длина волны 300 мкм и энергия кванта 4,1 мэВ. Фотон с такой энергией не способен вызывать ионизацию атомов и молекул.

Субмиллиметровый диапазон интересен тем, что он содержит резонансные частоты колебаний как простых, так и сложных биологических молекул. Многие из них имеют индивидуальные пики поглощения, несущие информацию о структуре, конформации и динамике молекулы во внешней среде. Поэтому спектроскопия в терагерцовом диапазоне широко применяется в биологии [1], молекулярном анализе [2], медицинской диагностике [3] и в системах безопасности [4].

Терагерцовая область частот мало исследовалась в течение многих лет из-за отсутствия подходящих источников и детекторов излучения. Появление новых широкополосных источников терагерцового излучения, основанных на преобразовании фемтосекундных лазерных импульсов ближнего ИК-диапазона в импульс широкополосного терагерцового излучения, резко активизировало исследования этой спектральной области [5]. Развитию исследований способствовало и то обстоятельство, что фотопроводящие антенны [6] и электрооптические кристаллы [7], с помощью которых создавалось терагерцовое излучение, могут служить также детекторами этого излучения. На основе данных источников был разработан метод терагерцовой импульсной спектроскопии или Terahertz Time-Domain Spectroscopy (THz TDS) [8-9], позволяющий проводить спектроскопические измерения с разрешением по времени. Новые возможности для терагерцовой спектроскопии открылись с созданием лазеров

на свободных электронах (ЛСЭ) - плавно перестраиваемых источников мощного когерентного излучения [10]. Использование монохроматического излучения ЛСЭ оправдано высоким отношением сигнал/шум и спектральным разрешением, в сравнении с широкополосными источниками излучения, а также, при наличии подходящих матричных приемников, возможностью получать спектрально-селективные изображения объектов в реальном времени [11]. К тому же, длительность импульса излучения ЛСЭ может быть меньше времени релаксации молекул, что позволяет с высокой точностью контролировать химические процессы с участием выделенных связей в молекуле.

Большинство биологических субстанций находятся в конденсированной фазе, например, в растворах или порошках, в результате чего молекулы расположены довольно близко друг к другу. В полярных соединениях между молекулами возникает множество ван-дер-ваальсовых и водородных связей, колебательные частоты которых находятся в ТГц области [12, 13, 14], в результате чего данные вещества имеют высокий коэффициент поглощения излучения. В частности, в терагерцовом диапазоне очень велико, поглощение воды, которая в свободном или связанном виде имеется практически во всех тканях живых организмов. Из-за сильного поглощения, френелевского отражения, а для негомогенных объектов и рассеяния, абсорбционная спектроскопия в геометрии на пропускание для сильно поглощающих объектов становится практически неприменимой. В этом случае оптимальными методами являются спектроскопия нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) [15] и спектроскопия с использованием поверхностных плазмон-поляригонов (ППП) (или поверхностной волны) [16, стр. 91]. Суть данных методов заключается в том, что на поверхности призмы или проводника (в случае 111111) формируется затухающая («эванесцентная») волна, в область которой помещается исследуемый объект. Поток энергии эванесцентной волны распространяется вдоль поверхности, и при наличии поглощения в исследуемом веществе, теряется часть энергии поверхностной волны.

Спектроскопия НПВО является удобным методом для исследования жидкостей, тканей, а также слабо поглощающих дисперсных сред с размерами неоднородностей меньших длины волны (например, порошков) [15, стр. 109]. Нарушенное полное внутреннее отражение достаточно широко используется в спектроскопических измерениях в ближнем и среднем, реже в дальнем (тера-герцовом) инфракрасном диапазонах [17], с применением стандартных фурье-спектрометров ("Fourier transform infrared spectroscopy" - FTIR) [18] и техники терагерцовой импульсной спектроскопии [19-20]. В настоящее время появляются первые работы в терагерцовой области частот по изображающей спектроскопии в режиме НПВО [21-22]. Изображения получают методом сканирования поверхности исследуемого объекта сфокусированным пучком, что не позволяет проводить запись изображений в реальном времени. Использование мощного монохроматического перестраиваемого излучения, как у лазера на свободных электронах, дает возможность получить широкий пучок и записывать с помощью матричных детекторов спектрально-селективные изображения в реальном времени [11]. Т.к. из-за отсутствия подходящих источников излучения подобных работ в терагерцовом диапазоне ранее не проводилось, то представляется привлекательным создание терагерцового изображающего спектрометра НПВО [23].

Спектроскопия на поверхностных плазмон-поляритонах, благодаря высокой пространственной локализации и возможности усиления напряженности поля поверхностной волны, обладает высокой чувствительностью и может использоваться и для слабо поглощающих объектов. К тому же, чувствительность данного метода можно повысить, увеличивая длину взаимодействия плазмона с образцом. В оптическом и среднем ИК-диапазонах поверхностные плазмоны достаточно хорошо изучены, и успешно применяются для диагностики состояния поверхности, обнаружения и исследования тонких и сверхтонких (толщиной от 1 до 100 нм) пленок и переходных слоев на поверхности. Помимо спектроскопических исследований, оптические поверхностные плаз-

моны успешно применяются для решения проблем микроэлектроники, исследования процессов окисления металлов, физической и химической адсорбции [24],фотохимических реакций, а также могу г использоваться для создания новых биосенсоров [16].

В терагерцовой области частот поверхностные плазмоны изучены далеко не полностью, вследствие отсутствия до недавнего времени подходящих источников и детекторов терагерцового излучения. К тому же, из-за особенных характеристик поверхностных плазмонов в терагерцовом диапазоне, которые рассмотрены в третьей главе диссертации, требуется разработка новых методов захвата, управления и диагностики ТГц плазмонов [25-26]. Исследование 111111 в терагерцовом диапазоне имеет важное значение, как для фундаментальных исследований, так и для потенциального их применения в диагностике металлических поверхностей, в спектроскопии тонких слоев, биологических объектов, в ТГц системах передачи и обработки информации [27].

Проведенный выше обзор показывает актуальность использования эва-несцентных волн, возникающих при нарушенном полном внутреннем отражении и в поверхностных плазмон-поляри гонах, для исследования поверхностей, конденсированных сред и тонких слоев в терагерцовом диапазоне, в том числе с использованием излучения ЛСЭ.

На защиту выносятся следующие научные положения:

Метод изображающей спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения с использованием монохроматического перестраиваемого излучения терагерцового диапазона для исследования конденсированных сред и тонких слоев.

Оптимальный способ определения комплексного показателя преломления сильно поглощающих веществ при фиксированной длине волны методом нарушенного полного внутреннего отражения.

Методы для исследования тонких диэлектрических слоев на плоской и искривленной металлической поверхности с помощью поверхностных плаз-мон-поляритонов в терагерцовом диапазоне.

Надежные и информативные измерительные системы для невозмущаю-щей диагностики поверхностных плазмон-поляритонов.

Распределения интенсивности дифрагированной на проводящем крае образца волны: теория и эксперимент.

Длина распространения поверхностного плазмон-поляритона вдоль плоской границы металл-диэлектрик.

Зависимость чувствительности неохлаждаемого матричного микроболометрического приемника от угла падения.

Глава 1. Методы генерации и детектирования терагерцового излучения

До настоящего времени терагерцовый диапазон остается мало изученным по сравнению с соседними - инфракрасным и микроволновым. Разработанные во второй половине XX века источники когерентного РЖ-излучения (лазеры) и микроволнового излучения (электронные приборы) плохо подходят для генерации излучения в промежуточном терагерцовом диапазоне; в случае лазеров, это связано с тепловым размытием лазерных уровней, а в случае электронных приборов - с конечным временем пролета электронов [28]. В настоящее время существует ряд перестраиваемых источников ТГц излучения. В низкочастотной части спектра средствами микроэлектроники, использующей в качестве источников диоды Ганна и лавино-пролетные диоды с последующим умножением частоты, удается получить дискретный набор частот до 11,2 ТГц [29]. Лампы обратной волны обеспечивают непрерывную перестройку частоты от 0,1 до 1,5 ТГц с мощностью до 0.5 Вт [30].В более высокочастотной области спектра создаются квантовые каскадные лазеры, работающие при температурах от 10 до 200 К, и генерирующие излучение в диапазоне от примерно 1,6 ТГц и выше со средней мощностью десятки милливатт [31-32]. Кроме того, ТГц область закрывается большим набором дискретных частот, генерируемых газовыми лазерами [33]; а также непрерывно перестраиваемым излучением лазеров на свободных электронах [34].

Для детектирования терагерцового излучения на сегодняшний день в основном применяются широкополосные приемники излучения, такие как болометры [8, стр. 210-217] (полупроводниковые, болометры на горячих электронах [35-36]), пироэлектрические датчики [37], диоды Шоттки [38], основанные на нелинейности ВАХ перехода металл - полупроводник, и фотопроводящие детекторы [39]. Использование же селективных и перестраиваемых детекторов при спектральном анализе позволяет отказаться от дифракционных решеток

или механически перестраиваемых интерферометров. Таким селективным детектором является криогенный полевой транзистор с двумерным электронным газом в канале, перестраиваемый приложенным к затвору напряжением Г40-41].В основе механизма детектирования лежит возбуждение падающим излучением плазменных колебаний в двухмерном электронном газе канала транзистора и их последующее выпрямление на нелинейности, связанной с одновременной модуляцией падающим излучением концентрации и дрейфовой скорости носителей в канале.

Создание в 80-х годах мощных импульсных лазеров, в частности, фемто-секундных (например, титан-сапфировый лазер [5]), т.е. генерирующих импульсы длительностью порядка ЮОфс, открыло путь для создания компактных источников терагерцового излучения, основанных на взаимодействии лазерного излучения с веществом. Выяснилось, что терагерцовое излучение можно получить за счет нелинейного преобразования высокоинтенсивного лазерного излучения в кристаллах (генерация разностной частоты), а также за счет некоторых линейных эффектов, таких как индуцированная лазерным импульсом генерация носителей в полупроводниках.

В конце 80-х годов был совершен прорыв в терагерцовых исследованиях - был впервые продемонстрирован метод терагерцовой спектроскопии во временной области (Terahertz Time-Domain Spectroscopy, THz TDS) или импульсной терагерцовой спектроскопии [9]. Этот метод основан на генерации и детектировании когерентного терагерцового излучения с помощью импульсов одного и того же лазера. В отличие от других методов, где измеряется только огибающая импульса или мощность излучения, терагерцовая спектроскопия во временной области позволяет с высоким разрешением непосредственного детектировать электрическое поле терагерцового импульса, длительность которого - всего порядка 1 пс. Непосредственное измерение электрического поля позволяет извлечь информацию о сдвиге фазы терагерцового поля

при его взаимодействии с объектом, а значит, открывает возможности для исследования сверхбыстрых (происходящих за доли пикосекунд) процессов.

Для получения изображений в ТГц области частот в настоящее время в основном используется метод импульсной герагерцовой спектроскопии [21], реже - фурье-спектроскопия [42]. Запись изображений осуществляют сканированием исследуемого объекта сфокусированным пучком излучения, на что всегда затрачивается некоторое время. Для детектирования в реальном времени используются матричные детекторы, элементами которых служат: пироэлектрические приемники [43]; неохлаждаемые полупроводниковые болометры [44]; высокочувствительные криогенные полупроводниковые болометры [45], которые используются в астрономических наблюдениях, и сверхпроводящие болометры на горячих электронах [46] с постоянной времени до 50 пикосекунд; высокоскоростные охлаждаемые полевые транзисторы [36, 47].

1.1. Импульсное терагерцовое излучение

За последнее время достигнуты определенные успехи в генерации и детектировании импульсного терагерцового излучения (ТГИ) [1, 48]. В результате чего на данный момент существуют генераторы с длительностью около сотни фемтосекунд, у которых ширина спектра достигает 40 ТГц, с эффективностью преобразования энергии 10"6 и приемники этого излучения с отношением сигнал-шум до 105.

Обычно для генерации и детектирования используют либо полупроводниковые антенны [39], либо нелинейнооптические кристаллы [49]. Полупроводниковая антенна представляет собой пластинку полупроводника (обычно ваЛв), на которую на расстоянии десятков микрометров нанесены две параллельные металлические дорожки (см. рис. Рис. 1). К дорожкам приложено постоянное напряжение, когда антенна используется в качестве генератора. При падении на пластинку фемтосекундного (титан-сапфирового лазера) лазерного импульса в полупроводнике происходит генерация носителей зарядов, кото-

рые при движении под действием приложенного постоянного поля излучают терагерцовый импульс. При использовании антенны в качестве детектора, с антенны снимается напряжение, а заряды, образующиеся под действием падающего лазерного детектирующего импульса, движутся под действием тера-герцового импульса, падающего на антенну с задержкой по времени относительно лазерного. Задержку осуществляют с помощью оптической линии задержки, которая показана на схеме стандартного импульсного терагерцового спектрометра (см. Рис. 2). Значение напряжения, снимаемого с антенны, пропорционально временной свертке оптического и терагерцового импульса. Величине поля Е терагерцового импульса фактически пропорциональна данному напряжению. Меняя время задержки между импульсами, измеряют зависимость поля Е от времени. Такое детектирование позволяет осуществлять как обычную спектроскопию, так и спектроскопию во временной области (TDS).

.—^

< 90 fs NIR puise

.'I

ii

< 500 fs THz puise

GaAs substrats

Рис. 1. Схема генерации терагерцового импульса с помощью полупроводниковой антенны ваА8 [9].

зондирующий пучок

к

/

/

пучок

накачки

Ч /

модулятор

излучатель детектор

11 Ц _1

\

/

линия

узадержкп.у

синхронныи усилитель

ПК

^—

Рис. 2. Принципиальная схема генерации и детектирования терагерцового излучения ультракороткими лазерными импульсами [8].

В нелинейнооптических кристаллах генерация терагерцового излучения происходит на эффекте генерации разностной частоты при падении на кристалл фемтосекундного лазерного импульса, а детектирование - на основе электрооптического эффекта, при котором падающий терагерцовый импульс меняет индикатрису показателя преломления в кристалле. Изменение показателя преломления детектируется за счет изменения поляризации оптического детектирующего луча, проходящего через кристалл с задержкой по времени относительно терагерцового. Как для генерации, так и для детектирования среди нелинейных кристаллов наиболее подходящими материалами оказались телурит цинка ZnTe [50] и селенид галия ваБе [51], поскольку он слабо поглощает в ТГц диапазоне. При использовании антенн и нелинейных кристаллов параметры выходящего излучения практически одинаковы.

1.2. Лазер на свободных электронах

Принцип действия ЛСЭ основан на взаимодействии пучка электронов с электромагнитным излучением в ондуляторе [52-53]. Ондулятор представляет собой систему знакопеременных магнитов, которые формируют периодическое магнитное поле (Рис. 3). При совпадении фазовой скорости электромагнитной волны и скорости движения электронов происходит накачка энергии в волну [34]. Зависимость длины волны излучения от величины магнитного поТ

ля В ондулятора, его периода А и энергии пучка у=1 +—- описывается выра-

тс~

жением

М1+0,872Я2[т2[сш]+у202)^^, (1Л)

2пу~

где Т - кинетическая энергия электронов, А - период ондулятора, у - релятивистский фактор, 0 - угол, под которым наблюдается излучение, п = 1, 2... -номер гармоники.

Таким образом, меняя магнитное поле или энергию пучка, можно перестраивать длину волны излучения. Это позволяет применять ЛСЭ как источник излучения для спектроскопии объектов без потери спектральной плотности мощности, что неизбежно при использовании широкополосных источников даже в случае мультиплексных оптических схем.

Устройство первой очереди Новосибирского лазера на свободных электронах [54], запущенной в 2003 году, показано на Рис. 4. Короткий импульс электронов с энергией 2 МэВ из инжектора 1 проходит через байпас в систему ВЧ-резонаторов 2 и ускоряется до энергии 12 МэВ. Затем, с помощью поворотной системы 3 направляется в ондулятор 4. После взаимодействия в ондуляторе со световым излучением, циркулирующим между зеркалами оптического резонатора, пучок возвращается в ВЧ-структуру в замедляющей

л

У, 1

/~~Л /~~7\ /~7\

т т т

Рис. 3. Распространение пучка электронов в ондуляторе: А - период ондуля-

тора, к - длина волны излучения, у - релятивистский фактор, К =

еВ Л 2 типе

- па-

раметр отклонения электронного пучка.

Поглотитель

электронов 2. Ускоряющая/замедляющая структура ^айпас__ 1 2 МэВ инжектор

НННву #- -

еввдо = и

т

3. Поворотная система

4 Ондулятор

^ ВЧ-резонаторы Ш Поворотные магниты 8 Квадруполи 9 Катушки соленоида ВИИЙЙНВИИ Ондуляторы ШН Группирователь Щ Оптические зеркала

Рис. 4. Схема первой очереди НЛСЭ.

Поглотитель пучка Л" Инжектор

I! Ш И Ш А Ш II Ш Ш Т! Ш и л^

ГЦ 1\1Г1\ 1\'ТГМПГ П Т\ ЛГТШ*1] П'ТГ'П П1ГЛ Шгтр

\J\-S \УКУ \У\У \у\У \У\У \У\У \

. / '' г—у Первый ондулятор 120 -240 мкм

I тгу^и.....................н........-................-.......н-

/ / ФЛ

.......Второй ондулятор (А^

30 -120 мкм

^9-+!-----------------И...................-...........—Н...............................Н-ЛЗ"4

Третий ондулятор 5-30 мкм Рис. 5. Принципиальная схема расположения первого, второго и третьего ондуляторов Новосибирского терагерцового ЛСЭ. Схема первого ондулятора показана в вертикальной плоскости, второго и третьего - в горизонтальной плоскости.

фазе и тормозится до 2 МэВ. Замедлившийся пучок, отдав энергию назад в ВЧ-генератор, отклоняется магнитом и поглощается специальным поглотителем. Ускоритель такого типа называют ускорителем-рекуператором. В такой схеме большая часть мощности, вложенная в пучок, возвращается в источник, а главное исключается наведенная радиоактивность, неизбежно возникающая при торможении пучков с энергией выше 10 МэВ [55]. Основные параметры излучения первой очереди НЛСЭ приведены ниже (Таблица 1).

Полная схема Новосибирского ЛСЭ, показана на Рис. 5. Лазер состоит из четырех орбит. Орбита первой очереди лежит в вертикальной плоскости, остальные три - в горизонтальной плоскости. Вторая очередь ЛСЭ генерирует излучение в диапазоне 30-120 мкм. При работе на второй очереди используется байпас, - магнитная система, увеличивающая путь следования электронного пучка на второй орбите на 0.7 метров. Когда байпас включен, электронный пучок после прохождения ондулятора попадает в ускоряющую систему 2-й очереди в замедляющей фазе, отдает энергию и попадает в ВЧ-систему 1-й очереди снова в противофазе, после чего, замедлившись до энергии 2 МэВ, направляется в поглотитель. Длина оптического резонатора второй очереди составляет 20 метров, которой соответствует резонансная частота повторения импульсов 7.5 МГц. Первый успешный запуск на второй станции был проведен в 2009 году. В настоящее время на ней удается получить излучение в диапазоне от 40 до 80 мкм. Недавно завершена сборка 3-й очереди ЛСЭ, которая рассчитана для генерации излучения в диапазоне 5-30 мкм. В данный момент ведется ее запуск, а также оптимизация режимов генерации на 2-й станции.

Излучение лазера выходит через 8-мм отверстие в выходном зеркале резонатора и с помощью системы зеркал передается по четырнадцатиметровому оптическому каналу из радиационно-опасного зала в зал рабочих станций. На выходе из резонатора установлено алмазное окно толщиной 0.7 мм, которое защищает высоковакуумную часть ЛСЭ от газовой среды транспортного канала. В терагерцовом (субмиллиметровом диапазоне) имеется большое число

линий поглощения молекул воды, всегда присутствующих в воздухе. Для исключения поглощения излучения парами воды оптический канал заполняется сухим азотом и отделяется от атмосферы на выходе полипропиленовой пленкой. Поскольку длина волны излучения на два порядка больше, чем в оптическом диапазоне, при транспортировке этого излучения существенную роль могут играть дифракционные эффекты. Это обстоятельство следует учитывать при всех манипуляциях с излучением.

Эксперименты с излучением НЛСЭ, которые проводились в рамках данной работы, были выполнены на рабочей станции «Спектроскопия и Интроскопия» («СПИН»), Пучок на выходе из оптического канала имел гауссову форму

(1-2)

где г - координата пучка в полярных координатах, уи - полуширина пучка, которая составляла 9 мм. Средняя мощность излучения на станции составляла десятки Ватт.

Таблица 1. Параметры излучения первой очереди лазера на свободных электронах.

Длина волны основной гармоники, мкм 120-240

Область спектра 2-й и 3-й гармоник, мкм 40-117

Относительная спектральная ширина, % 0,3-1

Диаметр гауссова пучка на станции, мм 18

Расходимость пучка 4-10'

Степень поляризации излучения, % >99,6

Поперечная когерентность Полная

Временная когерентность, пс 40-100

Частота повторения, МГц 5,6 - 22.4

Максимальная средняя мощность, кВт (при 11.2 МГц) 0,5

Пиковая мощность, МВт 1

Средняя спектральная плотность мощности, Вт/см 1 600

Глава 2. Детекторы терагерцового излучения

Для регистрации мощности излучения в терагерцовом диапазоне часто применяются тепловые приемники. Принцип их действия основан на преобразовании энергии падающего потока в тепловую энергию, идущую на нагревание приемного элемента и, следовательно, на изменение его свойств. К тепловым приемникам относят различные виды болометров, пироэлектрические детекторы, оптоакустические преобразователи и др. В данной главе рассмотрены три детектора, которые использовались в рамках данной работы: ячейка Голея, неохлаждаемый матричный микроболометрический приемник и криогенный болометр на горячих электронах. Рассмотрены принципы работы и основные параметры данных приемников в терагерцовом диапазоне, а также представлены результаты исследований их характеристик на излучении Новосибирского ЛСЭ.

Уравнение теплового баланса

При регистрации излучения тепловыми приемниками выполняется уравнение теплового баланса [56]

с.. + аТ( 0 = аРЦ) + аР + <2„ш„, (2-1)

ш

где Г(/) - разность температур приемного элемента и среды, <2 = с ■ тсГГ^/ск

- тепло, идущее на нагревание приемного элемента, с - теплоемкость материала, т -масса; (2=аТ(?) - тепло, отдаваемое приемным элементом за счет непосредственного теплового контакта с конструктивными элементами, с - коэффициент, характеризующий теплообмен; (?тл = аР(0 - тепловой поток, получаемый приемным элементом за счет поглощения измеряемого излучения мощностью ДО, « - коэффициент поглощения; <2,пл.ср = «Лф - тепловой поток излучения от окружающих предметов, мощностью Рср; (2пт - приток тепла, связанный с условиями работы приемника (за счет тока питания и т.п.).

Рассмотрим поведение приемника без действия излучения. Уравнение теплового баланса в данном случае имеет вид

с1Т(0

с ■ пг-

dt

+ aT(t) = Q0,

(2.2)

гДе <20 = а^сР + (¿пит не зависит от времени. В начальный момент времени температура приемника равна температуре окружающей среды, т.е. Г(0)=0 К. Решение уравнения (2.2) дает

r(i)=Go о

(

1 — ехр(--)

(2.3)

пр J

где т =с-т/сг - постоянная времени приемника.

Далее рассмотрим изменение температуры приемного элемента AT(t) под действием излучения мощностью P(t). Тогда уравнение теплового баланса можно записать в виде

d[AT(t)]

с-ni-

di

■ + cr[AT(t)] = aP(t).

(2.4)

Его решение имеет вид

Д7Х0 =— ехр( 1 f Р(0ехр

cm

cm

f а Л — t

У cm

dt.

(2.5)

Приведенная формула (2.5) верна для всех типов тепловых приемников. Таким образом, регистрируемая мощность излучения в основном определяется постоянной времени и чувствительностью приемного элемента.

Далее описаны устройства использованных приемников ТГц излучения и результаты исследований их характеристик на излучении ЛСЭ.

2.1. Ячейка Голея

Ячейка Голея (оптоакустический преобразователь, ОАП) - приемник излучения, который впервые был предложен доктором Марселем Ж. Е. Голеем в 1947 году [57]. Высокая чувствительность и широкий диапазон длин волн де-

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Герасимов, Василий Валерьевич, 2013 год

Литература

М. С. Beard, G. М. Turner, С. A. Schmuttenmaer, Progress towards two-dimensional biomedical imaging with THz spectroscopy // Phys. Med. Biol. 2002. V. 7. P. 3841-3846.

Y. Chen, H. Liu, K. Liu et al, THz Spectroscopic Investigation of Selected Purines and Amino Acids // IRMMW-THz. 2005. P. 54-55.

A. J. Fitzgerald, E. Berry, N. N Zinovev, et al, An introduction to medical imaging with coherent terahertz frequency radiation // Phys. Med. Biol. 2002. V. 47. P. R67-R84.

B. Ferguson, S. Wang, D. Gray, et al, Identification of biological tissue using chirped probe THz imaging // Microelectronics Journal. 2002. V. 33. P. 10431051.

Ch. Fattinger and D. Grischkowsky, Terahertz beams // Appl. Phys. Lett. V. 54, Is. 6, 490 (1989), P. 490-492.

M. van Exter, D. Grishkowsky, Characterisation of an optoelectronic terahertz beam system// IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1990. Vol. 38. P. 16841691.

P. R. Smith, D. H. Auston, M. C. Nuss, Subpicosecond photoconducting dipole antennas // IEEE J. Quant. Electron. 1988. V. 24. P. 255-260. Г. Г. Ишанин, Э. Д. Панков, A. JI. Андреев, Г. В. Польщиков, Источники и приемники излучения. Учебное пособие для студентов оптических специальностей вузов. - Спб.: Политехника, 1991. 240 с. J. Axel Zeitler, Philip F. Taday, David A. Newnham, Michael Pepper, Keith

C. Gordon and Thomas Rades, Terahertz pulsed spectroscopy and imaging in the pharmaceutical setting - a review // JPP. 2007. V. 59. P. 209-223.

N. A. Vinokurov et al, Status and prospects of the Novosibirsk FEL facility // Proceedings of RuPAC-2010, Protvino, Russia.

11. В. A. Knyazev, V. S. Cherkassky, Y. Y. Choporova, V. V. Gerasimov, M. G. Vlasenko, M. A. Dem'yanenko, D. G. Esaev, Real-time imaging using a highpower monochromatic terahertz source: comparative description of imaging techniques with examples of application. Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 2011. V. 32. Is. 10. Page 1207-1222. DOI: 10.1007/s 10762-011-9773-x.

12. K. Itoh, T. Shimanouchi, Far-infrared of N-methylacetamide and related compounds and hydrogen-bond force constants // Biopolimers. 1967. V. 5. 1967. P. 921-930.

13. T. Kleine-Ostmann, F. Rutz, R. Wilk et al., Experimental and Theoretical Study on THz Vibrational Modes of Selected Short-Chain Polypeptides // IRMMW04-THz. 2004.

14. M. Takahashi, Y. Kawazoe, Y. Ishikawal et al., Spectra of Trehalose and Glucose: Terahertz Spectroscopy and Density Functional Theory Calculations // IRMMW-THz 2005. P. 219-220.

15. H. Харрик, Спектроскопия внутреннего отражения. Пер. с англ. М.: Мир, 1970. 335 с.

16. Е. А. Паукштис, Оптическая спектроскопия в адсорбции и катализе, часть 2. Новосибирск: Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН, 2012, 100 стр.

17. Diding Suhandy, Yuichi Ogawa, Naoshi Kondo, Meinilwita Yulia, Feasibility of Using Attenuated Total Reflectance Terahertz (ATR-THz) Spectroscopy for Quantitative and Qualitative Study of Vitamin С in Aqueous Solutions // American Society of Agricultural and Biological Engineers 2011, P. 1111815. rhttp://elibrary.asabe.org/abstract.asp?aid-38176&t=2&redir-&redirTvpe=:1

18. Manjusha N. Dole, Priyanka A. Patel, Sanjay D. Sawant, Priyanka S. Shed-pure, Advance applications of Fourier Transform Infrared Spectroscopy // International Journal of Pharmaceutical Sciences Review and Research, 2011. Volume 7, Issue 2, P. 159-166.

19. J. Obradovic, D. A. Newnham and P. F. Taday, Attenuated Total Reflection Explores the Terahertz Region // American Laboratory. 2007. V. 39. № 8. P. 16-20.

20. A. Nakanishi, Y. Kawada, et al., Terahertz time domain attenuated total reflection spectroscopy with an integrated prism system // Rev Sci Instrum. 2012. V. 83 (3): P. 033103.

21. Antoine Wojdyla and Guilhem Gallot, Attenuated internal reflection terahertz imaging // Optics Letters. 2013. V. 38. N. 2. P. 112-114.

22. Wei-En Lai, Huai-Wu Zhang, Yao-Hua Zhu, Qi-Ye Wen, A Novel Method of Terahertz Spectroscopy and Imaging in Reflection Geometry // Applied Spectroscopy. 2013. V. 67. Is. 1. P. 36-39.

23. В. В. Герасимов, Б. А. Князев, В. С. Черкасский, Получение спектрально-селективных изображений объектов в режиме нарушенного полного внутреннего отражения в реальном времени в видимом и терагерцовом диапазонах// Оптика и спектроскопия. 2010. Т. 108. Вып. 6. С. 731-737.

24. М. Н. Либенсон, Поверхностные электромагнитные волны оптического диапазона//Соросовский образовательный журнал. 1996. Т. 10. С. 92-98.

25. R. J Seymour, Е. S. Koteles, and G. I. Stegeman // Appl. Phys. Lett. 1982. V.41.N. 11. P. 1013-1015.

26. В. В. Герасимов, Г. H. Жижин, Б. А. Князев, И. А. Котельников, Н. А. Митина, А. К. Никитин, Диагностический комплекс для исследования терагерцовых поверхностных плазмон-поляритонов на Новосибирском лазере на свободных электронах // Известия РАН. Серия физическая. 2013. Т. 77. № 9. (в печати).

27. P. P. Chahal, М. J. Lansing, К. Y. Park, С. S. Meierbachtol, N. V. Nair, Planar surface plasmonic structures for terahertz circuits and sensors // Electronic Components and Technology Conference (ECTC), 2012. P. 930 - 935.

28. М. В. Царев, Генерация и регистрация терагерцового излучения ультракороткими лазерными импульсами // Учебное пособие. - Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2011. 75 с.

29. R. К. Parida, N. С. Agrawala, G. N. Dash and А. К. Panda, Characteristics of a GaN-based Gunn diode for THz signal generation // J. Semicond. V. 33. N. 8. P. 084001.

30. В. Б. Анзин, IO. Г. Гончаров, Г. А. Гусев, С. П. Лебедев, Г. А. Командин, О. Е. Породинков, И. Е. Спектор, Унифицированный источник терагерцового излучения на основе ламп обратной волны // Приборы и техника эксперимента. 2009. № 3. С. 70-74.

31. L. Ajili, G. Scalari, J. Faist, H. Beere, E. Linfield, D. Ritchie, G. Davies, High power quantum cascade lasers operating at 87 and 130 |im // Appl. Phys. Lett. 2004. V. 85. N. 18. P. 3986-3988.

32. B. S. Williams, S. Kumar, Q. Hu, and J. L. Reno, Operation of terahertz quantum-cascade lasers at 164 К in pulsed mode and at 117 К in continuous-wave mode // Opt Express. 2005. V. 13. N. 9. P. 3331-3339.

33. G. P. Gallerano, S. Biedron, Overview of terahertz radiation sources // Proceedings of the 2004 FEL Conference, 2004. P. 216-221.

34. R. P. Walkei, Insertion devices: undulators and wigglers // Sinchrotron Trieste. P. 129-146.

35. P. L. Richards, Bolometers for infrared and millimeter waves // J. Appl. Phys. 1994. V. 76.1s. 1. P. 1-24.

36. A. Rogalski and F. Sizov, Terahertz detectors and focal plane arrays // Optoelectronics Review. V. 19. Is. 3. P. 346^104.

37. A. Rogalski, Infrared Detectors, 2nd edition // Boca Raton: CRC Press, 2011.

38. S. M. Marazita, W. L. Bishop, J. L. Hesler, K. Hui, W. E. Bowen, T. W. Crowe, Integrated GaAs Schottky mixers by spin-on-dielectric wafer bonding // IEEE Trans. Electron Devices. 2000. V. 47. P. 1152-1157.

39. R. D. Averitt, G. Rodriguez et al., Conductivity artifacts in optical-pump THz-probe measurements of YBa2Cu207 // J. Opt. Soc. Am. B. 2000. V. 17. P. 327.

40. А. В. Антонов, В. И. Гавриленко, К. В. Маремьянин, С. В. Морозов, F. Терре, W. Knap, Резонансное детектирование терагерцового излучения в субмикронных полевых транзисторах GaAs/AlGaAs с двумерным электронным газом // Физика и техника полупроводников. 2009. Т. 43. Вып. 4. С. 552-555.

41. Ю. В. Стебунов, В. Г. Лейман, А. В. Арсении, А. Д. Гладун, В. И. Рыжий, Резонансный детектор модулированного излучения терагерцового диапазона на основе углеродных нанотрубок // ЖТФ. 2012. Т. 82. Вып. 1. С. 67-72.

42. К. L. Chan, F. Н. Тау, G. Poulter, S. G. Kazarian // Appl Spectrosc. 2008. V. 62. P. 1102.

43. Qi Li, Sheng-Hui Ding, Rui Yao, and Qi Wang, Real-time terahertz scanning imaging by use of a pyroelectric array camera and image denoising // JOSA A. 2010. V. 27. Is. 11. P. 2381-2386.

44. M. А. Демьяненко, Д. Г. Есаев, И. В. Марчишин, В. II. Овсюк, Б. И. Фомин, Б. А. Князев, В. В. Герасимов, Применение неохлаждаемых матричных микроболометрических приемников для регистрации излучения терагерцового спектрального диапазона // Автометрия. 2011. Т. 47. № 5. С.109-113.

45. С. Dowell, С. A. Allen, S. Babu, М. М. Freund, М. В. Gardnera, J. Groseth, М. Jhabvala, A. Kovacs, D. С. Lis, S. H. Moseley, T. G. Phillips, R. Silver-berg, G. Voellmer, and H. Yoshida, SHARC II: a Caltech Submillimeter Observatory facility camera with 384 pixels // Proc. SPIE. 2003. 4855. P. 73-87.

46. Г. H. Гольцман, Горячие электроны в сверхрезистивном состоянии сверхпроводника // Соросовский образовательный журнал. 1996. №4. С. 90-96.

47. F. Schuster et al., A Broadband Terahertz Imager in a Low-cost CMOS Technology // Solid-State Circuits Conference Digest of Technical Papers. 2011.

48. D. Grischowsky, S. Keiding, M. van Exter, Ch. Fattinger Far-infrared timedomain spectroscopy with terahertz beams of dielectrics and semiconductors //J. Opt. Soc. Am. B. 1990. V. 7. P. 2006-2013.

49. Y. Ding, I. Zotova, Second-order nonlinear optical materials for efficient generation and amplification of temporally-coherent and narrow-linewidth terahertz waves // Opt. and Quant. Electr. 2000. V. 32. P. 531.

50. P. Han, X.-C. Zang Coherent, broadband mid-infrared terahertz beam sensor // Appl. Phys. Lett. 1998. V. 73. P. 3049.

51. C. Kuber et al., GaSe electro-optic sensor for ultra broadband detection of multi-THz field transients // Conference digest of Joint 29th International Conference on Infrared and Millimeter Waves and 12th International Conference on Terahertz Electronics. 2004. P. 509.

52. B. A. Knyazev, G. N. Kulipanov, N. A. Vinokurov, Novosibirsk terahertz free electron laser: instrumentation development and experimental achievements // Meas. Sci. & Techn. 2010. V. 21. P. 054017.

53. P. G. O'Shea, H. P. Freund, Free-Electron Lasers: status and Applications // Science. 2001. V. 292. P 1853-1858.

54. V. P. Bolotin, V. S. Cherkassky, E. N. Chesnokov et al., Novosibirsk terahertz free electron laser: Status and survey of experimental results // Proc. Joint 30th Internat. Conf. on Infrared and Millimeter Waves and 13th Internat. Conf. on Terahertz Electronics. 2005. Williamsburg. Virginia. USA. V. 2. P. 495.

55. К. H. Мухин, Экспериментальная ядерная физика. //Т. 1. М.: Атомиздат, 1974. 584 стр.

56. В. А. Зубов, Методы измерения характеристик лазерного излучения // Москва: Наука, 1973. 192 стр.

57. A. Zahl Harold and Marcel J. E. Golay, Pneumatic Heat Detector // Rev. Sci. Inst. 1946. V. 17.1s. 12. P. 529.

58. X. И. Кунце, Методы физических измерений // Москва: Мир, 1989. 216 стр.

59. http://www.tydexoptics.com/ru/products/thz_optics/golay_cell.

60. Yu. Gousev, G.N.Goltsman et al., Broadband Ultrafast Superconducting NbN Detector for Electromagnetic Radiation // J. Appl. Phys. 1994. V. 75. Is. 7. P. 3695-3697.

61. E. M. Гершензон, Г. H. Гольцман и др., Детекторы инфракрасного излучения на основе разогрева электронов в резистивном состоянии пленок из традиционных сверхпроводниковых материалов // Сверхпроводимость: физика, химия, техника, 1992. Т. 5. Вып. 6. С. 1129.

62. http://www.scontel.ru/ps receivers.html#4.

63. М. A. Dem'yanenko, D. G. Esaev, В. A. Knyazev et al., Terahertz Imaging with a 90 frames/s microbolometer focal plane array and high-power terahertz free electron laser // Appl. Phys.Lett. 2008. V. 92. P. 131116.

64. M. A. Dem'yanenko, В. I. Fomin, V. N. Ovsyuk, I. V. Marchishin, I. O. Parm, L. L. Vasil'ieva, V. V. Shashkin // Uncooled 160x120 microbolometer IR FPA based on sol-gel VOx // Proc. SP1E 5957 2005. P. 340-347.

65. M. А. Демьяненко, Д. Г. Есаев, В. Н. Овсюк, Б. И. Фомин, И. В. Марчи-шин, В. Ш. Алиев, Б. А. Князев, В. В. Герасимов, Г. IT Кулипанов, Н. А. Винокуров, В. И. Литвинцев, Разработка и применение неохлаждаемых матричных микроболометров для терагерцового диапазона // Вестник НГУ, сер. Физика. 2010. Т. 5. № 4. С. 73-78.

66. М. А. Демьяненко, Д. Г. Есаев, В. Н. Овсюк и др. Матричные микроболометрические приемники для инфракрасного и терагерцового диапазонов // Оптический журнал. 2009. № 6. Вып. 12. С. 5-11.

67. S. Fahy, Ch. Kittel, S. G. Louie, Electromagnetic screening by metals // Am. J. Phys. 1988. V. 56. P. 989.

68. Н. А. Винокуров, Б. А. Князев, Г. Н. Кулипанов, A. IT Матвеенко, В. М. Попик, В. С. Черкасский, М. А. Щеглов, Визуализация излучения мощного терагерцового лазера на свободных электронах с помощью термочувствительного интерферометра // Препринт Института ядерной физики им. Г.И. Будкера. 2006-26. 2006. 20 с. // Журнал технической физики. 2007. Т. 77. Вып. 7. С. 91-100.

69. G. Kozlov and A. Volkov, Coherent Source Submillimeter Wave Spectroscopy // Millimeter and Submillimeter Wave Spectroscopy of Solids, Topics in Applied Physics. 1998. V. 74. P. 51-109.

70. Manjusha N. Dole, Priyanka A. Patel, Sanjay D. Sawant, Priyanka S. Shed-pure Advance applications of Fourier Transform Infrared Spectroscopy // International Journal of Pharmaceutical Sciences Review and Research. 2011. V. 7. Is. 2. P. 159-166.

71. G. Shkerdin, J. Stiens and R. Vounckx, The relationship between reflectivity minima and eigen modes in multi-layer structures // J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 2003. V. 5. P. 386-396.

72. F. Picard et al., Quantitative Orientation Measurements in Thin Lipid Films by Attenuated Total Reflection Infrared Spectroscopy // Biophysical Journal, Phys. Med. Biol. 1999. V. 76. P. 539-551.

73. D. Marsh, Quantitation of Secondary Structure in ATR Infrared Spectroscopy // Biophysical Journal, Phys. Med. Biol. 1999. V. 77. P. 2630-2637.

74. A. Nakanishi, Y. Kawada, et al., Terahertz time domain attenuated total reflection spectroscopy with an integrated prism system // Rev. Sci. Instr. 2012. V. 83. Is. 3. P. 033103.

75. Y.-C. Shen, Terahertz pulsed spectroscopy and imaging for pharmaceutical applications: A review // Int. J. Pharm. 2011. V. 417. P. 48-60

76. Burka et al, Imaging ATR spectrometer // United States Patent. Patent number 6,141,100. Oct. 31,2000.

77. N. Elkhider, К. L. Andrew Chan, S. G. Kazarian, Effect of Moisture and Pressure on Tablet Compaction Studied with FTIR Spectroscopic Imaging // Journal of pharmaceutical science. 2007. V. 96. Is. 2. P. 351-360.

78. Wei-En Lai, Huai-Wu Zhang, Yao-Hua Zhu, Qi-Ye Wen, A Novel Method of Terahertz Spectroscopy and Imaging in Reflection Geometry // Appl. Spec. 2013. V. 67. Is. LP. 36-39.

79. S.P. Mickan, X.-C. Zhang T-ray sensing and imaging // International Journal of High speed electronics and Systems. 2003. V. 13. № 2. P. 601.

80. T. Hattori, K. Ohta, R. Rungsawang and K. Tukamoto, Phase-sensitive highspeed THz imaging //J. Phys. D: Appl. Phys. 2004. V. 37. Is. 5. P. 770-773.

81. В. В. Герасимов, Б. А. Князев, В. С. Черкасский, Способ измерения распределения величины комплексного показателя преломления сильно поглощающих образцов. Патент РФ №>2396547, приоритет 04.05.2009. Решение о выдаче 25.03.2010.

82. М. Борн, Э. Вольф, Основы оптики // М.: Наука, 1970. 720 стр.

83. Adriana Matei, Optical Investigations of Biological Samples in Far Infrared // Thesis. Physical Institute of Stuttgart University. 2005.

84. J. E. Bertie, S. L. Zhida6 An accurate modified Kramers - Kronig transformation from reflectance to phase shift on attenuated total reflection // J. Chem. Phys. 1996. V. 105. P. 8502-8514.

85. J. Grdadolnik, ATR-FTIR spectroscopy: its advantages and limitations // Acta Chim. Slov. 2002. V. 49. P. 631-642.

86. В. В. Герасимов, Б. А. Князев, Особенности спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения в терагерцовом диапазоне. Вестник НГУ, сер. Физик. 2008. Т. 4. Вып. 4. С. 97-112.

87. http://www.ualberta. ca/~jbertie/ JBDownload.HTM#start

88. Jing Xu, Kevin W. Plaxco and S. James Allen, Absorption spectra of liquid water and aqueous buffers between 0.3 and 3.72 THz // J. Chem. Phys. 2006. V. 124. P. 036101.

89. I. Simon, Spectroscopy in infrared by reflection and its use for highly absorbing substances //J. Opt. Soc. Am. 1951. V. 41. P. 336-341.

90. G. W. Chantry, Submillimeter spectroscopy // New York: Academic Press, 1971.

91. M. R. Querry, D. M. Wieliczka et al., Water // Handbook of optical Constants of Solids. 1991. V. 2. P. 1059-1077.

92. Jl. Новотный, Б. Хехт, Основы нанооптики // М.: Физматлит, 2009. 482 с.

93. G. N. Zhizhin, О. I. Kapitsa, М. A. Moskaleva, V. G. Nazin, and V. А. Yakovlev, Surface wave spectroscopy and properties of the surface // Physics-Uspekhi. 1975. V. 18. P. 927-928.

94. A. Sommerfeld, Fortpflanzung elektrodynamischer Wellen an einem zylindrischen Leiter// Ann. der Physik und Chem. 1899. V. 67. P. 233-290.

95. J. Zenneck, Uber die Fortpflanzung ebener electromagnetischer Wellen an einer ebenen Leiterilache und ihre Beziehung zur drahtlosen Telegraphie // Ann. der Physik. 1907. V. 23. P. 846-866.

96. А. В. Кукушкин, А. А. Рухадзе, К. 3. Рухадзе, Об условиях существования быстрой поверхностной волны // Успехи физических наук. 2012. Т. 182. № 11. С. 801-803.

97. R. Т. Ling, J. D. Scholler and P. Ya. Ufimtsev, The propagation and excitation of surface waves in an absorbing layer // Progress In Electromagnetics Research. 1998. V. 19. P. 49-91.

98. M. Gong, T.-I. Jeon, D. Grischkowsky, THz surface wave collapse on coated metal surfaces // Optics Express. 2009. V. 17. Is. 19. P. 17088-17101.

99. U. Fano, The theory of anomalous diffraction gratings and of quasi-stationary waves on metallic surfaces (Sommerfeld's waves) // JOSA. 1941. V. 31. P. 213-222.

100. F. Yang, J. R. Sambles and G. W. Bradberry, Longrange surface modes supported by thin films // Phys. Rev. B. 1991. V. 44. P. 5855-5872.

101. J. F. O'Hara, W. Withayachumnankul and I. Al-Naib, A review on thin-film sensing with terahertz waves // J. Infrared Millimeter and Terahertz Waves. 2012. V. 33. P. 245-291.

102. E. А. Виноградов, Т. А. Лескова, А. П. Рябов, Радиационные поверхностные плазмон-поляритоны // Оптика и спектроскопия. 1994. Т. 76. №2. С. 311-322.

103. J. Saxler, J. G. Rivas, С. Janke, H. P. M. Pellemans, P. H. Bolivar and H. Kurz // Phys. Rev. B. 2004. V. 69. P. 155427.

104. D. L Begley et al., Propagation distances of surface electromagnetic waves in the far infrared // Surface Science. 1979. V. 81. P. 245-251.

105. E. S. Koteles and W. H. MCNeill, Far infrared surface plasmon propagation // Int. J. Infrared Milli Waves. 1981. V. 2. N. 2. P. 361-371.

106. M. Nazarov and J.-L. Coutaz Terahertz Surface Waves Propagating on Metals with Sub-wavelength Structure and Grating Reliefs // J. of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves. 2011. Vol. 32, Iss. 10. P. 1054-1073.

107. K.W. Steijn, R. J. Seymour and G. I. Stegeman, Attenuation of far-infrared surface plasmons on overcoated metal // Appl. Phys. Lett. 1986. V. 49. N. 18. P. 1151-1153.

108. S. A. Maier, Plasmonics: Fundamentals and Applications // Springer, Springer Science+Business Media LLC. 2007. 223 p.

109. Okada Т., Nagai M. and Tanaka K. Resonant phase jump with enhanced electric field caused by surface phonon polariton in terahertz region // Optics Express. 2008. V. 16. Is. 8. P. 5633-5641.

110. R. J. Seymour, J. J. Krupczak, G. I. Stegeman, High efficiency coupling to the overcoated surface plasmon mode in the far infrared // Appl. Phys. Lett. 1984. V. 44. Is. 4. P. 373-375.

111. K. J. Ahn, K. G. Lee, H. W. Kihm, M. A. Seo, A. J. L. Adam, P. С. M. Planken and D. S. Kim, Optical and terahertz near-field studies of surface

plasmons in subwavelength metallic slits // New J. Physics. 2008. V. 10. P. 105003.

112. R. Mueckstein and O. Mitrofanov Imaging of terahertz surface plasmon waves excited on a gold surface by a focused beam // Optics Express. 2011. V. 19. Is. 4. P. 3212-3217.

113. Vera B. Zon, Reflection, refraction, and transformation into photons of surface plasmons on a metal wedge // J. Opt. Soc. Am. B. 2007. V. 24, Is. 8. P. 1960-1967.

114. V. B. Zon, B. A. Zon, Terahertz surface plasmon polaritons on a conductive right circular cone: Analytical description and experimental verification // Phys. Rev. A. 2011. V. 84, Is. 1. P. 013816.

115. V. M. Babich, Theory: The Sommerfeld-malyuzhinet Technique // Diffraction Alpha Science Series on Wave Phenomena. 2007. 228 p.

116. A. N. Latyshev, D. A. Minakov, О. V. Ovchinnikov, V. A. Buslov, O. G. Vikin, V. B. Zon, B. A. Zon, Thermal radiation of two-dimensional Bose-Einstein gas of surface plasmons // J. Opt. Soc. Am. B. 2009. V. 26. Is. 3. P. 397-399.

117. В. Б. Зон, Б. А. Зон, В. Г. Клюев, А. Н. Латышев, Д. А. Минаков, О. В. Овчинников, Новый способ измерения поверхностного импеданса металлов в ИК области // Оптика и спектроскопия. 2010. Т. 108. №4. С. 677-679.

118. Б. А. Князев, А. В. Кузьмин, Поверхностные электромагнитные волны: от видимого диапазона до микроволн // Вестник НГУ. Серия: Физика. 2007. Т. 2. Вып. 1.С. 108-122.

119. М. A. Ordal, R. G. Bell et al., Optical properties of fourteen metals in the infrared and far infrared: Al, Co, Cu, Au, Fe, Pb, Mo, Ni, Pd, Pt, Ag, Ti, V and W // Appl. Opt. 1985. V. 24. N. 24.

120. Д. В. Сивухин, Оптика. Том 5. // M.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. 792 с.

121. А. М. Прохоров, В. И. Конов, И. Урсу, И. Н. Михэилеску, Взаимодействие лазерного излучения с металлами // М.: Наука, 1988. 537 стр.

122. И. II. Мешков, Б. В. Чириков, Электромагнитное поле. Часть 1. Электричество и магенитизм. // Новосибирск: Наука, Сибирское отделение. 1987. стр. 272 стр.

123. И. А. Котельников, О затухании в волноводе // Журнал технической физики. 2004. Т. 74. Вып. 9.

124. J. М. Ziman, Electrons and phonons // Oxford: Clarendone, 1960. 426 p.

125. G. Brandli and A. J. Sievers, Absolute measurement of the far-infrared surface resistance of Pb // Phys. Rev. B. 1972. V. 5. N. 9. P. 3550-3557.

126. G. E. H. Reuter and E. H. Sondheimer, The Theory of the Anomalous Skin Effect in Metals //Proc. R. Soc. Lond. A. 1948. V. 195. N. 1042. P. 336-364.

127. R. B. Dingle, The anomalous skin effect and reflectivity of Metals // Physica. 1953. V. 19. P. 311-347.

128. C. G. Malone, A technique for the measurement of the far-infrared radiative properties of metal and superconductor thin films // Thesis. Massachussets institute of technology, 1997.

129. Palik E. D. Handbook of optical constants of solids // San Diego: Academic Press, USA, 1985. 804 p.

130. D. Qu, D. Grischkowsky, W. Zhang, Terahertz transmission properties of thin subwavelength metallic hole arrays // Opt. Lett. 2004. V. 29. N. 8. P. 896898.

131. JI. А. Вайнштейн, Теория дифракции и метод факторизации // М.: Советское радио, 1966. 430 стр.

132. N. V. Kuzmin, Interference Effects with Surface Plasmons. // Thesis. Troitsk, Russia, 1980.

133. R. J. Seymour, J. J. Krupczak, G. I. Stegeman, High efficiency coupling to the overcoated surface plasmon mode in the far infrared // Appl. Phys. Lett. 1982. V. 41. N. 11. P. 1013-1015.

134. I. A. Kotelnikov, V. V. Gerasimov and B. A. Knyazev, Diffraction of surface wave on conducting rectangular wedge // Phys. Rev. A. 2013. V. 87. P. 023828. arXiv:1301.3715 [physics.optics].

135. R. F. Wallis and A. A. Maradudin and G. I. Stegeman, Surface polariton reflection and radiation at end faces // Appl. Phys. Lett. 1983. V. 42. Is. 9. P. 764-766.

136. В. М. Бабич, M. А. Лялинов, В. Э. Грикуров, Метод Зоммерфельда-Малюжинца в теории дифракции // СПб.: ВВМ, 2004. 103 с.

137. V. A. Borovikov, В. Ye. Kinber, Geometrical theory of diffraction // London: The Institution of Electrical Engineers, 1994. 390 p.

138. A. V. Osipov, A. N. Norris, The Malyuzhinets theory for scattering from wedge boundaries: a review // Wave Motion. 1999. V. 29. N. 4. P. 313-340.

139. В. В. Герасимов, Г. H. Жижин, Б. А. Князев, И. А. Котельников, А. К. Никитин, В. С. Черкасский, Исследование дифракции поверхностных плазмон-поляритонов на прямоугольном крае границы металл-диэлектрик в терагерцовом диапазоне // Вестник НГУ. Серия: Физика. 2013. Т. 8. Вып. 1. С. 6-15.

140. J. В. Marion. Classical electromagnetic radiation // New York: Academic Press, 1965.479 р.

141. Richard A. Flynn, Igor Vurgaftman, Konrad Bussmann, B. S. Simpkins, Chul Soo Kim and James P. Long, Transmission efficiency of surface plasmon po-laritons across gaps in gold waveguides // Appl. Phys. Lett. 2010. V. 96. Is. 11. P. 111101.

142. Zack Schlesinger and A. J. Sievers, IR surface-plasmon attenuation coefficients for Ge-coated Ag and Au metals // Physical Review B. 1982. V. 26, Is. 12. P. 6444-6454.

143. Tae-In Jeon and D. Grischkowsky, THz Zenneck surface wave (THz surface plasmon) propagation on a metal sheet // Applied Physics Letters. 2006. Vol. 88. P. 061113.

I ^_у

144. G. N. Zhizhin, A. K. Nikitin, G. D. Bogomolov, V. V. Zavialov, J. Y. Uk, L.

j. B. Cheol, S. H. Park, H. J. Cha, Absorption of surface plasmons in a metalt cladding layer-air structure in the terahertz frequency range // Optics and

• Spectroscopy. 2006. V. 100. N. 5. P. 734-738.

*

I* 145. H. Raether, Surface plasmons on smooth rough surfaces and on gratings //

Berlin: Springer-Verlag, 1988. 136 p.

(,

j 146. Г. H. Жижин, M. А. Москалева, E. В. Шомина, В. А. Яковлев, Краевые

|

эффекты при распространении поверхностных электромагнитных волн

t ИК диапазона вдоль поверхности металла // Письма в ЖТЭФ. 1979.

1" Т. 29. Вып. 9. С. 533-536.

f 147. M. Nazarov, J.-L. Coutaz, A. Shkurinov and F. Garet, THz surface plasmon

î

с

\ jump between two metal edges // Optics Communications. 2007. V. 277.

' P. 33-39.

j 148. B. Reinhard; К. Schmitt; T. Fip; M. Volk; J. Neu; A.-K. Mahro; R. Beigang; Ь M. Rahm // Terahertz sensing with meta-surfaces and integrated circuits // s' Proc. of Terahertz and Ultrashort Electromagnetic Pulses for Biomedical Ap! plications. 2013. P. 858507. doi:10.1117/12.2010256. i 149. H. Ашкрофт, H. Мермин, Физика твердого тела // М.: Мир, 1979. 399 с.