mireabulletinRussian Technological JournalRussian Technological Journal2782-32102500-316XRTU MIREA10.32362/2500-316X-2022-10-3-74-84mireabulletin-525Research ArticleМИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКА. ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯMICRO- AND NANOELECTRONICS. CONDENSED MATTER PHYSICSАнализ поляризации ТГц-излучения с помощью решетчатого поляризатора и кристалла ZnTePolarization analysis of THz radiation using a wire grid polarizer and ZnTe crystalhttps://orcid.org/0000-0002-1195-5166ЗайнуллинФ. А.ZainullinF. A.

Зайнуллин Фархад Алмазович - стажер-исследователь специализированной учебно-научной лаборатории «Сверхбыстрая динамика ферроиков» Института перспективных технологий и индустриального программирования.

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78. Scopus Author ID 57226613215

Farkhad A. Zainullin - Intern Researcher, Laboratory “Ultrafast Dynamics in Ferroics,” Institute for Advanced Technologies and Industrial Programming.

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454. Scopus Author ID 57226613215

madflyzero@gmail.comХусяиновД. И.KhusyainovD. I.

Хусяинов Динар Ильгамович - аспирант, младший научный сотрудник учебно-научной лаборатории фемтосекундной оптики для нанотехнологий Института перспективных технологий и индустриального программирования.

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78. Scopus Author ID 57194467463, ResearcherID O-7241-2017

Dinar I. Khusyainov - Postgraduate Student, Junior Researcher, Laboratory “Femtosecond Optics for Nanotechnologies,” Institute for Advanced Technologies and Industrial Programming.

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454. Scopus Author ID 57194467463, ResearcherID O-7241-2017.

husyainov@mirea.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6277-4074КозинцеваМ. В.KozintsevaM. V.

Козинцева Марина Валентиновна - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики Института перспективных технологий и индустриального программирования.

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78. Scopus Author ID 6506049090, ResearcherID С-3826-2017

Marina V. Kozintseva - Cand. Sci. (Phys.-Math.), Assistant Professor, Department of Physics, Institute for Advanced Technologies and Industrial Programming.

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454. Scopus Author ID 6506049090, ResearcherID C-3826-2017.

kozintseva@mirea.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3347-9076БуряковА. М.BuryakovA. M.

Буряков Арсений Михайлович - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник учебно-научной лаборатории фемтосекундной оптики для нанотехнологий Института перспективных технологий и индустриального программирования.

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78. Scopus Author ID 55454206600, ResearcherID E-8283-2017

Arseniy M. Buryakov - Cand. Sci. (Phys.-Math.), Senior Researcher, Laboratory “Femtosecond Optics for Nanotechnologies,” Institute for Advanced Technologies and Industrial Programmingю

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454. Scopus Author ID 55454206600, ResearcherID E-8283-2017

buryakov@mirea.ruМИРЭА – Российский технологический университетРоссияMIREA – Russian Technological UniversityRussian Federation2022090620221037484Copyright © Зайнуллин Ф.А., Хусяинов Д.И., Козинцева М.В., Буряков А.М., 20222022Зайнуллин Ф.А., Хусяинов Д.И., Козинцева М.В., Буряков А.М.Zainullin F.A., Khusyainov D.I., Kozintseva M.V., Buryakov A.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/525Цели

Цели. Химический состав и молекулярная структура органических соединений обладают высокой чувствительностью к терагерцовому излучению. Поэтому терагерцовая спектроскопия во временно́й области в настоящее время является перспективным методом исследования в области фармакологии и медицины. Однако из-за того, что многие биомолекулы обладают хиральностью, их анализ проводится путем облучения ТГц-излучением с круговым дихроизмом. В частности, круговой дихроизм ТГц-излучения позволяет исследовать «мягкие» колебательные движения биомолекул с различной закрученностью. Точный контроль параметров этого излучения очень важен при исследовании биологических материалов. Цель работы – описать метод, позволяющий охарактеризовать поляризацию ТГц-излучения на примере использования черного фосфора в качестве источника.

Методы

Методы. Анализ параметров поляризации ТГц-излучения, экспериментально полученных методом спектроскопии временно́го разрешения, а также с использованием терагерцовых поляризаторов, проводился путем математического моделирования взаимодействия ТГц-излучения и кристалла ZnTe в качестве детектора.

Результаты

Результаты. В работе подробно рассмотрены две схемы терагерцовой спектроскопии с кристаллом ZnTe в качестве детектора. Определение параметров поляризации выполнено с использованием одного или двух решетчатых ТГц-поляризаторов. Выведено выражение для аппроксимации зависимостей размаха амплитуды ТГц-излучения от угла поворота решетчатого ТГц-поляризатора для этих случаев. Рассмотрено влияние величины напряженности электрического поля терагерцового излучения на форму поляризационных зависимостей. Определен угол поворота эллипса поляризации ТГц-излучения, испускаемого поверхностью объемного слоистого кристалла черного фосфора при воздействии на него фемтосекундных лазерных импульсов.

Выводы

Выводы. Амплитуда напряженности электрического поля ТГц-излучения начинает влиять на форму поляризационных зависимостей, когда ее величина становится сравнимой или превышает 40 кВ/см.

Objectives

Objectives. Terahertz time domain spectroscopy (THz-TDS) is currently a promising research method in pharmacology and medicine due to the high sensitivity of terahertz radiation to the chemical composition and molecular structure of organic compounds. However, due to the chirality of many biomolecules, their analysis is performed by THz irradiation with circular dichroism. In particular, circular dichroism of THz radiation allows the study of “soft” vibrational movements of biomolecules with different chiralities. Therefore, when studying such biological materials, accurate control of THz radiation parameters is essential. The paper describes a method for characterizing THz radiation polarization on the example of a black phosphorus source material.

Methods

Methods. The analysis of polarization parameters of THz radiation experimentally obtained by THz-TDS and using terahertz polarizers was performed by mathematical modeling of the interaction between THz radiation and a ZnTe crystal as a detector.

Results

Results. Two schemes of terahertz spectroscopy with the ZnTe crystal as the detector were discussed in detail. The polarization parameters were determined using one or two wire-grid THz polarizers. An expression for approximating the dependences of the peak-to-peak amplitude of THz radiation on the rotation angle of the wire-grid THz polarizer for these cases was derived. The impact of the terahertz electric field intensity value on the shape of polarization dependences was considered. The rotation angle of the polarization ellipse of THz radiation emitted by the surface of a bulk-layered black phosphorus crystal illuminated by femtosecond laser pulses was determined.

Conclusions

Conclusions. The amplitude of the THz radiation electric field intensity begins to impact the shape of polarization dependences when its value becomes comparable to or exceeds 40 kV/cm.

терагерцовая спектроскопия временно́го разрешенияэллиптичностьполяризацияэлектрооптический кристаллэлектрооптическое стробированиеtime-resolved terahertz spectroscopyellipticitypolarizationelectrooptic crystalelectrooptic samplingИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 21-79-10353 «Управ ляемые спинтронные гибридные ТГц излучатели и детекторы». Экспериментальные исследования выполнены с использованием оборудования ЦКП РТУ МИРЭАThe study was supported by the Russian Science Foundation, grant No. 21-79-10353 “Controlled spintronic hybrid THz emitters and detectors.” Experimental studies were carried out using the equipment of the Center for Collective Use at the MIREA – Russian Technological UniversityReferencesCui H., Zhang X.B., Yang P., Su J.F., Wei X.Y., Guo Y.H. Spectral characteristic of single layer graphene via terahertz time domain spectroscopy. Optik (Stuttg). 2015;126(14): 1362–1365. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2015.03.032Cui H., Zhang X.B., Yang P., Su J.F., Wei X.Y., Guo Y.H. Spectral characteristic of single layer graphene via terahertz time domain spectroscopy. Optik (Stuttg). 2015;126(14): 1362–1365. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2015.03.032Maamar N., Lazoul M., Latreche F.Y., Trache D., Coutaz J.L. Terahertz time-domain spectroscopy characterization of nitrocellulose in transmission and reflection configurations. Optik (Stuttg). 2020;224:165711. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2020.165711Maamar N., Lazoul M., Latreche F.Y., Trache D., Coutaz J.L. Terahertz time-domain spectroscopy characterization of nitrocellulose in transmission and reflection configurations. Optik (Stuttg). 2020;224:165711. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2020.165711Tu S., Wang Z., Liang G., Zhang W., Tang Y., She Y., Yi C., Bi X. A novel approach to discriminate transgenic soybean seeds based on terahertz spectroscopy. Optik (Stuttg). 2021;242:167089. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2021.167089Tu S., Wang Z., Liang G., Zhang W., Tang Y., She Y., Yi C., Bi X. A novel approach to discriminate transgenic soybean seeds based on terahertz spectroscopy. Optik (Stuttg). 2021;242:167089. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2021.167089Tan N.Y., Zeitler J.A. Probing phase transitions in simvastatin with terahertz time-domain spectroscopy. Mol. Pharm. 2015;12(3):810–815. https://doi.org/10.1021/mp500649qTan N.Y., Zeitler J.A. Probing phase transitions in simvastatin with terahertz time-domain spectroscopy. Mol. Pharm. 2015;12(3):810–815. https://doi.org/10.1021/mp500649qHo L., Pepper M., Taday P. Signatures and fingerprints. Nat. Photonics. 2008;2(9):541–543. https://doi.org/10.1038/nphoton.2008.174Ho L., Pepper M., Taday P. Signatures and fingerprints. Nat. Photonics. 2008;2(9):541–543. https://doi.org/10.1038/nphoton.2008.174Wang W.N., Wang G., Zhang Y. Low-frequency vibrational modes of glutamine. Chinese Phys. B. 2011;20(12):123301. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/12/123301Wang W.N., Wang G., Zhang Y. Low-frequency vibrational modes of glutamine. Chinese Phys. B. 2011;20(12):123301. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/12/123301Du S.Q., Li H., Xie L., Chen L., Peng Y., Zhu Y.M., Li H., Dong P., Wang J.T. Vibrational frequencies of anti-diabetic drug studied by terahertz time-domain spectroscopy. Appl. Phys. Lett. 2012;100(14):143702. https://doi.org/10.1063/1.3700808Du S.Q., Li H., Xie L., Chen L., Peng Y., Zhu Y.M., Li H., Dong P., Wang J.T. Vibrational frequencies of anti-diabetic drug studied by terahertz time-domain spectroscopy. Appl. Phys. Lett. 2012;100(14):143702. https://doi.org/10.1063/1.3700808Andersen J., Heimdal J., Mahler D.W., Nelander B., Wugt Larsen R. Communication: THz absorption spectrum of the CO2–H2O complex: Observation and assignment of intermolecular van der Waals vibrations. J. Chem. Phys. 2014;140(9):091103. https://doi.org/10.1063/1.4867901Andersen J., Heimdal J., Mahler D.W., Nelander B., Wugt Larsen R. Communication: THz absorption spectrum of the CO2–H2O complex: Observation and assignment of intermolecular van der Waals vibrations. J. Chem. Phys. 2014;140(9):091103. https://doi.org/10.1063/1.4867901Walther M., Plochocka P., Fischer B., Helm H., Uhd Jepsen P. Collective vibrational modes in biological molecules investigated by terahertz time-domain spectroscopy. Biopolymers. 2002;67(4–5):310–313. https://doi.org/10.1002/bip.10106Walther M., Plochocka P., Fischer B., Helm H., Uhd Jepsen P. Collective vibrational modes in biological molecules investigated by terahertz time-domain spectroscopy. Biopolymers. 2002;67(4–5):310–313. https://doi.org/10.1002/bip.10106Tonouchi M. Cutting-edge terahertz technology. Nat. Photonics. 2007;1:97–105. https://doi.org/10.1038/nphoton.2007.3Tonouchi M. Cutting-edge terahertz technology. Nat. Photonics. 2007;1:97–105. https://doi.org/10.1038/nphoton.2007.3Dadap J.I., Shan J., Heinz T.F. Circularly polarized light in the single-cycle limit: the nature of highly polychromatic radiation of defined polarization. Opt. Express. 2009;17(9):7431–7439. https://doi.org/10.1364/OE.17.007431Dadap J.I., Shan J., Heinz T.F. Circularly polarized light in the single-cycle limit: the nature of highly polychromatic radiation of defined polarization. Opt. Express. 2009;17(9):7431–7439. https://doi.org/10.1364/OE.17.007431Yang X., Zhao X., Yang K., Liu Y., Liu Y., Fu W., et al. Biomedical applications of terahertz spectroscopy and imaging. Trends Biotechnol. 2016;34(10):810–824. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2016.04.008Yang X., Zhao X., Yang K., Liu Y., Liu Y., Fu W., et al. Biomedical applications of terahertz spectroscopy and imaging. Trends Biotechnol. 2016;34(10):810–824. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2016.04.008Buryakov A., Zainullin F., Khusyanov D., Abdulaev D., Nozdrin V., Mishina E. Generation of elliptically polarized terahertz radiation from black phosphorus crystallites. Opt. Eng. 2021;60(08):082013. https://doi.org/10.1117/1.OE.60.8.082013Buryakov A., Zainullin F., Khusyanov D., Abdulaev D., Nozdrin V., Mishina E. Generation of elliptically polarized terahertz radiation from black phosphorus crystallites. Opt. Eng. 2021;60(08):082013. https://doi.org/10.1117/1.OE.60.8.082013Khusyainov D., Ovcharenko S., Gaponov M., Buryakov A., Klimov A., Tiercelin N., Pernod P., Nozdrin V., Mishina E., Sigov A., Preobrazhensky V. Polarization control of THz emission using spin-reorientation transition in spintronic heterostructure. Sci. Rep. 2021;11(1):697. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80781-5Khusyainov D., Ovcharenko S., Gaponov M., Buryakov A., Klimov A., Tiercelin N., Pernod P., Nozdrin V., Mishina E., Sigov A., Preobrazhensky V. Polarization control of THz emission using spin-reorientation transition in spintronic heterostructure. Sci. Rep. 2021;11(1):697. https://doi.org/10.1038/s41598-020-80781-5Huang Y., Yartsev A., Guan S., Zhu L., Zhao Q., Yao Z., He C.,Zhang L., Bai J., Luo J., Xu X. Hidden spin polarization in the centrosymmetric MoS2 crystal revealed via elliptically polarized terahertz emission. Phys. Rev. B. 2020;102(8):085205. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.102.085205Huang Y., Yartsev A., Guan S., Zhu L., Zhao Q., Yao Z., He C.,Zhang L., Bai J., Luo J., Xu X. Hidden spin polarization in the centrosymmetric MoS2 crystal revealed via elliptically polarized terahertz emission. Phys. Rev. B. 2020;102(8):085205. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.102.085205Ковалев С.П., Китаева Г.Х. Два альтернативных подхода при электрооптическом детектировании импульсов терагерцового излучения. Письма в ЖЭТФ. 2011;94(2):95–100. https://doi.org/10.1134/S0021364011140074Kovalev S.P., Kitaeva G.K. Two alternative approaches to electro-optical detection of terahertz pulses. JETP Lett. 2011;94(2):91–96. https://doi.org/10.1134/S0021364011140074Deng B., Tran V., Xie Y., Jiang H., Li C., Guo Q., Wang X., Tian H., Koester S. J., Wang H., Cha J. J., Xia Q., Yang L., Xia F. Efficient electrical control of thin-film black phosphorus bandgap. Nat. Commun. 2017;8:14474. https://doi.org/10.1038/ncomms14474Deng B., Tran V., Xie Y., Jiang H., Li C., Guo Q., Wang X., Tian H., Koester S. J., Wang H., Cha J. J., Xia Q., Yang L., Xia F. Efficient electrical control of thin-film black phosphorus bandgap. Nat. Commun. 2017;8:14474. https://doi.org/10.1038/ncomms14474Long G., Maryenko D., Shen J., Xu S., Hou J., Wu Z., Wong W.K., Han T., Lin J., Cai Y., Lortz R., Wang N. Achieving ultrahigh carrier mobility in two-dimensional hole gas of black phosphorus. Nano Lett. 2016;16(12): 7768–7773. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b03951Long G., Maryenko D., Shen J., Xu S., Hou J., Wu Z., Wong W.K., Han T., Lin J., Cai Y., Lortz R., Wang N. Achieving ultrahigh carrier mobility in two-dimensional hole gas of black phosphorus. Nano Lett. 2016;16(12): 7768–7773. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b03951Chen X., Wu Y., Wu Z., Han Y., Xu S., Wang L., Ye W., Han T., He Y., Cai Y., Wang N. High-quality sandwiched black phosphorus heterostructure and its quantum oscillations. Nat. Commun. 2015;6:7315. https://doi.org/10.1038/ncomms8315Chen X., Wu Y., Wu Z., Han Y., Xu S., Wang L., Ye W., Han T., He Y., Cai Y., Wang N. High-quality sandwiched black phosphorus heterostructure and its quantum oscillations. Nat. Commun. 2015;6:7315. https://doi.org/10.1038/ncomms8315Hossain F.M., Murch G.E., Belova I.V., Turner B.D. Electronic, optical and bonding properties of CaCO3 calcite. Solid State Commun. 2009;149(29–30): 1201–1203. https://doi.org/10.1016/j.ssc.2009.04.026Hossain F.M., Murch G.E., Belova I.V., Turner B.D. Electronic, optical and bonding properties of CaCO3 calcite. Solid State Commun. 2009;149(29–30): 1201–1203. https://doi.org/10.1016/j.ssc.2009.04.026Soykan C., Kart S.Ö. Structural, mechanical and electronic properties of ZnTe polymorphs under pressure. J. Alloys Compd. 2012;529:148–157. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2012.02.170Soykan C., Kart S.Ö. Structural, mechanical and electronic properties of ZnTe polymorphs under pressure. J. Alloys Compd. 2012;529:148–157. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2012.02.170Yariv A., Yeh P. Photonics: optical electronics in modern communications. Oxford University Press; 2007. 836 p.Yariv A., Yeh P. Photonics: optical electronics in modern communications. Oxford University Press; 2007. 836 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.