Методы измерения глубины проникновения поля терагерцевых поверхностных плазмон-поляритонов в воздух

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

Предложены и апробированы два метода измерения глубины проникновения поля поверхностных плазмон-поляритонов (ППП) с использованием квазимонохроматического терагерцевого излучения новосибирского лазера на свободных электронах (λ = 141 мкм): зондовый метод с модуляцией излучения обтюратором или модуляцией дифрагирующей доли поля ППП колебаниями внедренного в него зонда и метод экранирования, регистрирующего интенсивность ППП, прошедших под металлическим экраном. В обоих методах для уменьшения доли паразитных засветок от объемных волн предлагается использовать излом поверхности образца или элементы преобразования (излучения в ППП и обратно) цилиндрической формы. Результаты экспериментов по оценке глубины проникновения поля ППП в воздух обоими методами согласуются между собой. Выявлены достоинства и недостатки этих методов, а также условия их применения при работе с образцами, содержащими и не содержащими диэлектрическое покрытие.

Full Text

Restricted Access

About the authors

В. Д. Кукотенко

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук

Author for correspondence.
Email: V.D.Kukotenko@inp.nsk.su
Russian Federation, 630090, Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 11

В. В. Герасимов

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук; Новосибирский государственный университет

Email: V.D.Kukotenko@inp.nsk.su
Russian Federation, 630090, Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 11; 630090, Новосибирск, ул. Пирогова, 1

A. Г. Лемзяков

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук; Центр коллективного пользования “Сибирский кольцевой источник фотонов” Института катализа им. Г. К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук

Email: V.D.Kukotenko@inp.nsk.su
Russian Federation, 630090, Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 11; 630559, Новосибирская обл., р. п. Кольцово, просп. Никольский, 1

A. К. Никитин

Научно-технологический центр уникального приборостроения Российской академии наук

Email: V.D.Kukotenko@inp.nsk.su
Russian Federation, 117342, Москва, ул. Бутлерова, 15

References

  1. Zhang H.C., Zhang L.P., He P.H., Xu J., Qian C., Garcia-Vidal F.J., Cui T.J. // Light Sci. Appl. 2020. V. 9. P. 113. https://doi.org/10.1038/s41377-020-00355-y
  2. Berger C.E.H., Kooyman R.P.H., Greve J. // Rev. Sci. Instrum. 1994. V. 65. P. 2829. https://doi.org/10.1063/1.1144623
  3. Maier S.A. Plasmonics: Fundamentals and Applications. New York: Springer, 2007.
  4. Mynbaev D.K., Sukharenko V. // Proc. ICCDCS-2014. IEEE. 2014. P. 1. https://doi.org/10.1109/ICCDCS.2014.7016180
  5. Pang X., Ozolins O., Jia S. et al. // J. Lightwave Technol. 2022. V. 40. P. 3149. https://doi.org/10.1109/JLT.2022.3153139
  6. Pechprasarn S., Somekh M.G. // J. Microsc. 2012. V. 246. P. 287. https://doi.org/10.1111/j.1365-2818.2012.03617.x
  7. Sengupta K., Nagatsuma T., Mittleman D.M. // Nat. Electron. 2018. V. 1. P. 622. https://doi.org/10.1038/s41928-018-0173-2
  8. Sorger V.J., Oulton R.F., Ma R.-M., Zhang X. // MRS Bulletin. 2012. V. 37. P. 728. https://doi.org/10.1557/mrs.2012.170
  9. Gerasimov V.V., Nikitin A.K., Lemzyakov A.G., Azarov I.A., Kotelnikov I.A. // Appl. Sci. 2023. V. 13. P. 7898. https://doi.org/10.3390/app13137898
  10. Zhang X., Xu Q., Xia L., Li Y., Gu J., Tian Z., Ouyang C., Han J., Zhang W. // Adv. Photon. 2020. V. 2. P. 1. https://doi.org/10.1117/1.AP.2.1.014001
  11. 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
  12. Pandey S., Liu S., Gupta B., Nahata // Photon. Res. 2013. V. 1. P. 148. https://doi.org/10.1364/PRJ.1.000148
  13. Gerasimov V.V., Nikitin A.K., Lemzyakov A.G., Azarov I.A., Kotelnikov I.A. // Appl. Sci. 2023. V. 13. P. 7898. https://doi.org/10.3390/app13137898
  14. Gerasimov V.V., Knyazev B.A., Nikitin A.K., Zhizhin G.N. // Appl. Phys. Lett. 2011. V. 98. 171912. https://doi.org/10.1063/1.3584130
  15. Auston D.H., Cheung K.P. // J. Opt. Soc. Am. B. 1985. V. 2. P. 606. https://doi.org/10.1364/JOSAB.2.000606
  16. Zhou D., Parrott E.P.J., Paul D.J., Zeitler J.A. // J. Appl. Phys. 2008. 104. 053110. https://doi.org/10.1063/1.2970161
  17. Han P.Y., Tani M., Usami M., Kono S., Kersting R., Zhang X.-C. // J. Appl. Phys. 2001. V. 89. P. 2357. https://doi.org/10.1063/1.1343522
  18. Isaac T.H., Barnes W.L., Hendry E. // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 93. 241115. https://doi.org/10.1063/1.3049350
  19. Nazarov M.M., Shkurinov A.P., Garet F., Coutaz J.-L. // IEEE Trans. THz Sci. Technol. 2015. V. 5. P. 680. https://doi.org/10.1109/TTHZ.2015.2443562
  20. Nikitin A.K., Khitrov O.V., Gerasimov V.V., Khasanov I.S., Ryzhova T.A. // J. Phys.: Conf. Ser. 2019. V. 1421. 012013. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1421/1/012013
  21. Gerasimov V.V., Vanda V., Lemzyakov A., Ivanov A., Azarov I., Nikitin A. // SPIE: Beijing, China, November 26. 2023. P. 11. https://doi.org/10.1117/12.2687247
  22. Gerasimov V.V., Nikitin A.K., Lemzyakov A.G. // Instrum. Exp. Tech. 2023. V. 66. P. 423. https://doi.org/10.1134/S0020441223030053
  23. Mathar R.J. // J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 2007. V. 9. P. 470. https://doi.org/10.1088/1464-4258/9/5/008
  24. 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
  25. Jeon T.-I., Grischkowsky D. // App. Phys. Lett. 2006. V. 88. 061113. https://doi.org/10.1063/1.2171488
  26. Gong M., Jeon T.-I., Grischkowsky D. // Opt. Express. 2009. V. 17. P. 17088. https://doi.org/10.1364/OE.17.017088
  27. Герасимов В.В., Жижин Г.Н., Князев Б.А., Котельников И.А., Митина Н.А. // Изв. РАН. Сер. физ. 2013. T. 77. C. 1333. https://doi.org/10.7868/S0367676513090147
  28. 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.
  29. Koteles E.S., McNeill W.H. // Int. J. Infrared Milli Waves. 1981. V. 2. P. 361. https://doi.org/10.1007/BF01007040
  30. 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
  31. https://www.tydexoptics.com/ru/
  32. Gerasimov V.V., Nikitin A.K., Lemzyakov A.G., Azarov I.A. // Photonics. 2023. V. 10. P. 917. https://doi.org/10.3390/photonics10080917
  33. Knyazev B.A., Cherkassky V.S., Choporova Y.Yu., Gerasimov V.V., Vlasenko M.G., Dem’yanenko M.A., Esaev D.G. // J. Infrared Milli. Terahz. Waves. 2011. V. 32. P. 1207. https://doi.org/10.1007/s10762-011-9773-x
  34. Palik E.D. Handbook of Optical Constants of Solids V. 1. Cambridge: Academic Press, 2016.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Schematic diagram of the experimental setup for measuring the SPP field using the probe method with one of two types of modulation of the detected radiation: oscillations of the probe 7 or a mechanical shutter 2.

Download (133KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Schematic diagram of the measurement of the SPP field using the shielding method.

Download (123KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Schematic diagram of the experimental setup for measuring the SPP field using the shielding method.

Download (82KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. a – Schematic diagrams of sample structures: x – distance from the input end of the sample, z – distance from the probe to the sample surface, is the depth of penetration of the SPP field into the air, d – thickness of the ZnS cover layer, E and H – intensities of the electric and magnetic fields of the SPP, respectively; b and c – geometry of the sample profiles used in the probe method and the shielding method, respectively.

Download (84KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Dependence of the useful signal S, proportional to the intensity of the SPP scattered by the probe, on the voltage U applied to the probe.

Download (67KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Dependence of the magnitude of the registered signal S on the distance z between the probe and the sample. Modulation by harmonic oscillations of the probe with a frequency of 30 Hz and an amplitude of a = 50 μm was used. The noise level was 0.01 mV.

Download (75KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Dependence of the recorded signal S on the distance between the probe and the sample z during modulation of the NFEL radiation beam by the shutter with a frequency of 30 Hz. The noise level was 0.3 mV.

Download (75KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. a – Dependence of the signal S generated by the SPPs passing under the screen on the distance z between the screen and the sample; b – derivative dS/dz from the experimental dependence S(z) in Fig. a (dots), exponential approximation (solid line). Modulation of the FEL radiation by the shutter with a frequency of 30 Hz was used.

Download (129KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences