Planar Michelson Interferometer Using Terahertz Surface Plasmons

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The optical scheme and technical characteristics of terahertz planar Michelson interferometer based on surface plasmons are presented. A technique for determination of the complex index of refraction of surface plasmons (ns@=ns@+iks@) from interferograms is described. The paper presents the results of test measurements on flat surfaces with gold sputtering coated by ZnS layers 0 to 3 μm thick with application of the high-power coherent radiation from the Novosibirsk free electron laser at the wavelength λ0 = 141 μm. From the measurement results, the value of the effective permittivity of the sputtered gold surface was found, which turned out to be an order of magnitude lower than that of crystalline gold. Analysis of the energy losses in the plasmonic interferometer made it possible to estimate its dynamic range (106–108 in terms of radiation power) required for measurements on samples with different ns@. Ways to increase the signal-to-noise ratio via optimization of the elements of the optical scheme and detector have also been proposed.

About the authors

V. V. Gerasimov

Budker Institute of Nuclear Physics SB RAS

Email: v.v.gerasimov3@gmail.com
630090, Novosibirsk, Russia

A. K. Nikitin

Scientific and Technological Center for Unique Instrumentation of the Russian Academy of Sciences

Email: v.v.gerasimov3@gmail.com
117342, Moscow, Russia

A. G. Lemzyakov

Budker Institute of Nuclear Physics SB RAS

Author for correspondence.
Email: v.v.gerasimov3@gmail.com
630090, Novosibirsk, Russia

References

  1. Братман В.Л., Литвак А.Г., Суворов Е.В. // УФН. 2011. Т. 181. № 8. С. 867. https://doi.org/10.3367/UFNe.0181.201108f.0867
  2. Ghann W., Uddin J. Terahertz Spectroscopy: A Cutting-Edge Technology / Ed. by J. Uddin. London: IntechOpen, 2017.
  3. O’Hara J.F., Withayachumnankul W., Al-Naib I. // J. Infrared Millim. and Terahertz Waves. 2012. V. 33. № 3. P. 245. https://doi.org/10.1007/s10762-012-9878-x
  4. Hofmann T., Herzinger C.M., Boosalis A., Tiwald T.E., Woollam J.A., Schube M. // Rev. Sci. Instrum. 2010. V. 81. 023101. https://doi.org/10.1063/1.3297902
  5. Азаров И.А., Швец В.А., Прокопьев В.Ю., Дулин С.А., Рыхлицкий С.В., Чопорова Ю.Ю., Князев Б.А., Кручинин В.Н., Кручинина М.В. // ПТЭ. 2015. № 3. С. 71. https://doi.org/10.7868/S0032816215030039
  6. Naftaly M., Dudley R. // Appl. Opt. 2011. V. 50. № 9. P. 3201. https://doi.org/10.1364/AO.50.003201
  7. Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред / Под ред. В.М. Аграновича и Д.Л. Миллса. М.: Наука, 1985.
  8. Майер С.А. Плазмоника: теория и приложения. М., Ижевск: R&C Dynamics, 2011.
  9. Никитин А.К., Тищенко А.А. // Письма в ЖТФ. 1991. Т. 17(11). С. 76.
  10. Huang Y.H., Ho H.P., Wu S.Y., Kong S.K. // Advances in Optical Technologies. 2012. V. 2012. P. 471957. https://doi.org/10.1155/2012/908976
  11. Silin V.I., Voronov S.A., Yakovlev V.A., Zhizhin G.N. // Intern. J. Infrared and Millim. Waves. 1989. V. 10. № 1. P. 101. https://doi.org/10.1007/BF01009121
  12. Wang K., Mittleman D.M. // Phys. Rev. Lett. 2006. V. 96. P 157401. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.96.157401
  13. Gao Y., Xin Z., Gan Q., Cheng X., Bartoli F.J. // Opt. Express. 2013. V. 21. № 5. P. 5859. https://doi.org/10.1364/OE.21.005859
  14. Melentiev P.N., Kuzin A.A., Gritchenko A.S., Kalmykov A.S., Balykin V.I. // Optics Comm. 2017. V. 382. P. 509. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2016.07.061
  15. Gan Q.Q., Gao Y., Bartoli F.J. // Optics Express. 2009. V. 17. № 23. P. 20747. https://doi.org/10.1364/OE.17.020747
  16. Ming Y., Wu Z., Wu H., Xu F., Lu Y. // IEEE Photonics Journal. 2012. V. 4 (1). P. 491. https://doi.org/10.1109/JPHOT.2012.2186562
  17. Schlesinger Z., Sievers A.J. // Applied Phys. Letters. 1980. V. 36. № 6. P. 409. https://doi.org/10.1063/1.91519
  18. Hanssen L.M., Riffe D.M., Sievers A.J. // Optics Letters. 1986. V. 11. № 12. P. 782. https://doi.org/10.1364/OL.11.000782
  19. Петров Ю.Е., Алиева Е.В., Жижин Г.Н., Яков-лев В.А. // ЖТФ. 1998. Т. 68. № 3. С. 64.
  20. Ma Y., Nguyen-Huu N., Zhou J., Maeda H., Wu Q., Eldlio M., Pistora J., Cada M. // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2017. V. 23. № 4. P. 4601607 https://doi.org/10.1109/JSTQE.2017.2660882
  21. Handbook of optical constants of solids. V. 1 / Ed by E.D. Palik. Academic Press, 2016.
  22. Pandey S., Gupta B., Chanana A., Nahata A. // Advances in Physics. 2016. V. 1. № 2. P. 176. https://doi.org/10.1080/23746149.2016.1165079
  23. Жижин Г.Н., Никитин А.К., Балашов А.А., Рыжова Т.А. Патент РФ на изобретение № 2318192 // Опубл. 27.02.2008. Бюл. № 6.
  24. Богомолов Г.Д., Жижин Г.Н., Кирьянов А.П., Никитин А.К. // Известия РАН. Сер. физ. 2009. Т. 73. № 4. С. 562.
  25. Никитин А.К., Князев Б.А., Герасимов В.В., Хасанов И.Ш. Патент РФ на изобретение № 2653590 // Опубл. 11.05.2018. Бюл. № 14.
  26. Жижин Г.Н., Кирьянов А.П., Никитин А.К. // Оптика и спектроскопия. 2012. Т. 112. № 4. С. 597.
  27. Gerasimov V.V., Knyazev B.A., Nikitin A.K., Nikitin V.V., Rijova T.A. // Discrete and Continuous Models and Applied Computational Science. 2013. № 2. P. 191. https://journals.rudn.ru/miph/article/view/8543
  28. Герасимов В.В., Князев Б.А., Никитин А.К. // Квантовая электроника. 2017. Т. 47. № 1. С. 65. https://doi.org/10.1070/QEL16178
  29. Gerasimov V.V., Nikitin A.K., Lemzyakov A.G., Azarov I.A., Milekhin I.A., Knyazev B.A., Bezus E.A., Kadomina E.A., Doskolovich L.L. // JOSA (B). 2020. V. 37. Is. 5. P. 1461. https://doi.org/10.1364/JOSAB.386331
  30. Никитин А.К., Хитров О.В. Патент РФ на изобретение № 2709600 // Опубл. 18.12.2019. Бюл. № 35.
  31. Gerasimov V.V., Nikitin A.K., Khitrov O.V., Lemzya-kov A.G. // 46-th Intern. Conf. on Infrared, Millimeter, and Terahertz waves (IRMMW-THz). Chengdu, China (August 29–September 3) 2021. P. 1. https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz50926.2021.9567134
  32. Shevchenko O.A., Vinokurov N.A., Arbuzov V.S., Chernov K.N., Davidyuk I.V., Deichuly O.I., Dementyev E.N., Dovzhenko B.A., Getmanov Ya.V., Gorbachev Ya.I., Knyazev B.A., Kolobanov E.I., Kondakov A.A., Kozak V.R., Kozyrev E.V. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2019. V. 83. P. 228. https://doi.org/10.3103/S1062873819020278
  33. Stegeman G.I., Wallis R.F., Maradudin A.A. // Optics Letters. 1983. V. 8. № 7. P. 386. https://doi.org/10.1364/OL.8.000386
  34. Kotelnikov I.A., Gerasimov V.V., Knyazev B.A. // Phys. Rev. (A). 2013. V. 87. Art. ID 023828. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.87.023828
  35. Islam M.S., Nine J., Sultana J., Cruz A.L.S., Dinovitser A., Ng B.W., Ebendorff-Heidepriem H., Losic D., Abbott D. // IEEE Access. 2020. V. 8. P. 97204. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.2996278
  36. Nazarov M., Garet F., Armand D., Shkurinov A., Cou-taz J.-L. // C. R. Physique. 2008. V. 9. P. 232. https://doi.org/10.1016/j.crhy.2008.01.004
  37. Князев Б.А., Никитин А.К. Патент РФ № 2547164 // Опубл. 10.04.2015. Бюл. № 10.
  38. Knyazev B.A., Gerasimov V.V., Nikitin A.K., Azarov I.A., Choporova Yu.Yu. // J. Opt. Soc. Am. (B). 2019. V. 36 P. 1684. https://doi.org/10.1364/JOSAB.36.001684
  39. Герасимов В.В., Князев Б.А., Никитин А.К. // Письма в ЖТФ. 2010. Т. 36. Вып. 21. С. 93.
  40. Zayats A.V., Smolyaninov I.I., Maradudin A.A. // Physics Reports. 2005. V. 408. P. 131. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2004.11.001
  41. Gerasimov V.V., Knyazev B.A., Lemzyakov A.G., Nikitin A.K., Zhizhin G.N. // J. Opt. Soc. Am. (B). 2016. V. 33. P. 2196. https://doi.org/10.1364/JOSAB.33.002196
  42. Минин И.В., Минин О.В. // Вестник СГУГИТ. 2022. Т. 26. № 4. С. 160. https://doi.org/10.33764/2411-1759-2021-26-4-160-175
  43. http://www.tydexoptics.com/ru/products/thz_devices/ golay_cell/
  44. http://www.nzpp.ru/product/gotovye-izdeli/fotopriemnye-ustroystva/
  45. Паулиш А.Г., Дорожкин К.В., Сусляев, Гусаченко А.В., Морозов А.О., Пыргаева С.М. // Сб. трудов конференции “Актуальные проблемы радиофизики АПР 2019ˮ. Томск, 2019. С. 482. http://vital.lib.tsu.ru/vital /access/manager/Repository/vtls:000709334
  46. Зубов В.А. Методы измерения характеристик лазерного излучения. М.: Наука, 1973.
  47. Kubarev V.V., Kulipanov G.N., Kolobanov E.I., Matveenko A.N., Medvedev L.E., Ovchar V.K., Salikova T.V., Scheglov M.A., Serednyakov S.S., Vinokurov N.A. // Nucl. Instrum. and Methods. 2009. V. A603. P. 25. https://doi.org/10.1016/j.nima.2008.12.122
  48. Handbook: Physical Data / Ed. by I.S. Grigoryev and E.Z. Meilikhov. M.: Energoatomizdat, 1991.
  49. Mathar R.J. // J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 2007. V. 9. P. 470. https://doi.org/10.1088/1464-4258/9/5/008
  50. Burke J.J., Stegeman G.I., Tamir T. // Phys. Rev. (B). 1986. V. 33. № 8. P. 5186. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.33.5186
  51. Ordal M.A., Long L.L., Bell R.J., Bell S.E., Bell R.R., Alexander R.W., Ward C.A. // Appl. Opt. 1983. V. 22. P. 1099. https://doi.org/10.1364/AO.22.001099
  52. Jiu Zhi-Xian, Zuo Du-Luo, Miao Liang, Qi Chun-Chao, Cheng Zu-Hai // Chinese Phys. Lett. 2010. V. 27. P. 024211. https://doi.org/10.1088/0256-307X/27/2/024211
  53. Kozlov G., Volkov A. // In: Grüner G. Millimeter and Submillimeter Wave Spectroscopy of Solids. Topics in Applied Physics, V. 74. Berlin, Heidelberg: Springer, 2007. https://doi.org/10.1007/BFb0103420
  54. Idehara T., Sabchevski S.P., Glyavin M., Mitsudo S. // Appl. Sci. 2020. V. 10. P. 980. https://doi.org/10.3390/app10030980
  55. Wen B., Ban D. // Progress in Quantum Electronics. 2021. V. 80. Art. ID 100363. https://doi.org/10.1016/j.pquantelec.2021.100363
  56. Кубарев В.В. Дисс. … докт. физ.-мат. наук. Новосибирск: ИЯФ им. Г.И. Будкера. 2016.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (2MB)
Indexing metadata
3.

Download (153KB)
Indexing metadata
4.

Download (77KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 В.В. Герасимов, А.К. Никитин, А.Г. Лемзяков