Анализ поляризации ТГц-излучения с помощью решетчатого поляризатора и кристалла ZnTe

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

1. Cui 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.2015.03.032

2. Maamar 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.2020.165711

3. Tu 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.2021.167089

4. Tan 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/mp500649q

5. Ho L., Pepper M., Taday P. Signatures and fingerprints. Nat. Photonics. 2008;2(9):541–543. https://doi.org/10.1038/nphoton.2008.174

6. Wang W.N., Wang G., Zhang Y. Low-frequency vibrational modes of glutamine. Chinese Phys. B. 2011;20(12):123301. https://doi.org/10.1088/1674-1056/20/12/123301

7. Du 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/10.1063/1.3700808

8. Andersen 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/10.1063/1.4867901

9. Walther 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.10106

10. Tonouchi M. Cutting-edge terahertz technology. Nat. Photonics. 2007;1:97–105. https://doi.org/10.1038/nphoton.2007.3

11. Dadap 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.17.007431

12. Yang 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.2016.04.008

13. Buryakov 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.60.8.082013

14. Khusyainov 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/s41598-020-80781-5

15. Huang 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.102.085205

16. Ковалев 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/S0021364011140074

17. Deng 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/ncomms14474

18. Long 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.6b03951

19. Chen 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/ncomms8315

20. Hossain 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.2009.04.026

21. Soykan 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.2012.02.170

22. Yariv A., Yeh P. Photonics: optical electronics in modern communications. Oxford University Press; 2007. 836 p.