nguphysСибирский физический журналSIBERIAN JOURNAL OF PHYSICS2541-9447Новосибирский государственный университет10.25205/2541-9447-2022-17-1-78-92nguphys-173Research ArticleФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА, ПОЛУПРОВОДНИКОВ, НАНОСТРУКТУРSOLID-STATE AND SEMICONDUCTOR PHYSICS, PHYSICS OF NANOSTRUCTURESРазработка узкополосного фильтра для реализации метода андерсемплинга в импульсных терагерцовых спектрометрахDesign of a Narrowband Filter for Implementing the Undersamping Method in Terahertz Time-Domain Spectrometershttps://orcid.org/0000-0003-3586-9526РыбакА. А.RybakA. A.

 Алина Анатольевна Рыбак, аспирант 4-го курса НГУWoS Researcher ID AAR-1373-2020Scopus Author ID 57216637852 

Новосибирск 

  Alina A. Rybak, Post-Graduate StudentWoS Researcher ID AAR-1373-2020Scopus Author ID 57216637852 

Novosibirsk 

a.rybak1@g.nsu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1627-8125КузнецовС. А.KuznetsovS. А.

 Сергей Александрович КузнецовWoS Researcher ID A-6723-2014Scopus Author ID 56426776500 

Новосибирск 

  Sergei A. KuznetsovWoS Researcher ID A-6723-2014Scopus Author ID 56426776500 

Novosibirsk 

serge_smith@ngs.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8074-9737АржанниковА. В.ArzhannikovA. V.

 Андрей Васильевич Аржанников, доктор физико-математических наукWoS ResearcherID C-2443-2019Scopus Author ID 7004910972 

 Новосибирск 

  Andrey V. Arzhannikov, Doctor of Sciences (Physics and Mathematics)WoS ResearcherID C-2443-2019Scopus Author ID 7004910972 

Novosibirsk 

arzhan1@ngs.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7106-3100НиколаевН. А.NikolaevN. A.

 Назар Александрович Николаев, кандидат технических наукWoS Researcher ID AAH-1279-2019Scopus Author ID 56363884600 

 Новосибирск 

 Nazar A. Nikolaev, Candidate of Science (Technology)WoS Researcher ID AAH-1279-2019Scopus Author ID 56363884600  

Novosibirsk 

nazar@iae.nsk.suНовосибирский государственный университет; Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наукРоссияNovosibirsk State University; Institute of Automation and Electrometry of the Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationНовосибирский государственный университет; Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук; Новосибирский филиал Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук «КТИПМ»РоссияNovosibirsk State University; Institute of Automation and Electrometry of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Rzhanov Institute of Semiconductor Physics of the Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationНовосибирский государственный университет; Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук; Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наукРоссияNovosibirsk State University; Institute of Automation and Electrometry of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences; Budker Institute of Nuclear Physics of the Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation2022150420221717892Copyright © Рыбак А.А., Кузнецов С.А., Аржанников А.В., Николаев Н.А., 20222022Рыбак А.А., Кузнецов С.А., Аржанников А.В., Николаев Н.А.Rybak A.A., Kuznetsov S.А., Arzhannikov A.V., Nikolaev N.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://nguphys.elpub.ru/jour/article/view/173

Рассмотрен подход к созданию узкополосного квазиоптического фильтра с центральной частотой ν = 806 ГГц (λ = 372 мкм), предназначенного для реализации метода андерсемплинга в импульсной терагерцовой спектроскопии. Частота выбрана с целью мониторинга линии поглощения молекулярного газа СО в локальном окне прозрачности атмосферы. Фильтр основан на эталоне Фабри – Перо и представляет собой полипропиленовую пленку с нанесенными с обеих сторон частотно-избирательными поверхностями (ЧИП) в форме квадратных прорезей в напыленном алюминиевом слое. Посредством численного моделирования пропускания предложенной структуры определено, что оптимум отношения ширины металлической перемычки a к латеральному периоду g ЧИП лежит в окрестности a/g = 0,5. При выборе g менее половины рабочей длины волны λ показано, что полная ширина на полувысоте пропускания получаемого квазиоптического фильтра составляет менее 4 %, что достаточно для реализации метода андерсемплинга в импульсных терагерцовых спектрометрах.

In this paper, we propose a design of a narrow-band quasi-optical filter with a central frequency ν = 806 GHz (λ = 372 μm) suitable for the implementation of the undersampling technique in terahertz time-domain spectroscopy. The frequency was chosen to monitor the absorption line of the molecular gas CO in the local transparency window of the atmosphere. The filter is designed as the Fabry-Perot etalon based on a polypropylene film with frequencyselective surfaces (FFS) on both sides consisting of square slots in a sprayed aluminum layer. Through numerical simulation of the transmission of the proposed structure, we defined that the optimum ratio of the width of the metal bridge a to the pitch g of the FSS lies in the vicinity of a/g = 0.5. For g less than half of the operating wavelength λ, the FWHM of the filter is less than 4%, which is sufficient for the implementation of the undersampling method in terahertz time-domain spectroscopy.

импульсная терагерцовая спектроскопиячастотно-избирательные поверхностиквазиоптические фильтрыандерсемплингterahertz time-domain spectroscopyfrequency-selective surfacesquasi-optical filtersundersamplingИсследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-32-90137.The reported study was funded by RFBR according to the research project № 20-32-90137ReferencesАнцыгин В. Д., Мамрашев А. А., Николаев Н. А., Потатуркин О. И. Малогабаритный терагерцовый спектрометр с использованием второй гармоники фемтосекундного волоконного лазера // Автометрия. 2010. Т. 46, № 3. С. 110–117.Antsygin V. D., Mamrashev A. A., Nikolaev N. A., Potaturkin O. I. Small-size terahertz spectrometer using the second harmonic of a femtosecond fiber laser. Optoelectron. Instrument. Proc., 2010, vol. 46, no. 3, pp. 294–300.Sartorius B., Roehle H., Künzel H., Böttcher J., Schlak M., Stanze D., Venghaus H., Schell M. All-fiber terahertz time-domain spectrometer operating at 1.5 µm telecom wavelengths. Optics Express, 2008, vol. 16, no. 13, pp. 9565–9570.Sartorius B., Roehle H., Künzel H., Böttcher J., Schlak M., Stanze D., Venghaus H., Schell M. All-fiber terahertz time-domain spectrometer operating at 1.5 µm telecom wavelengths. Optics Express, 2008, vol. 16, no. 13, pp. 9565–9570.Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. М.: Радио и связь, 1986. 512 c.Gonorovsky I. S. Radio engineering circuits and signals: Textbook for universities. Moscow, Radio and communication, 1986, 512 p.Shannon C. Communication in the presence of noise. Proc. IRE, 1949, vol. 37, no. 1, pp. 10– 21.Shannon C. Communication in the presence of noise. Proc. IRE, 1949, vol. 37, no. 1, pp. 10–21.Vieweg N., Rettich F., Deninger A., Roehle H., Dietz R., Göbel T., Schell M. Terahertztime domain spectrometer with 90 dB peak dynamic range. J. Infrared, Millim. Terahertz Waves, 2014, vol. 35, no. 10, pp. 823–832.Vieweg N., Rettich F., Deninger A., Roehle H., Dietz R., Göbel T., Schell M. Terahertztime domain spectrometer with 90 dB peak dynamic range. J. Infrared, Millim. Terahertz Waves, 2014, vol. 35, no. 10, pp. 823–832.Stehr D., Morris C. M., Schmidt C., Sherwin M. S. High-performance fiber-laser-based terahertz spectrometer. Opt. Lett., 2010, vol. 35, no. 22, pp. 3799–3801.Stehr D., Morris C. M., Schmidt C., Sherwin M. S. High-performance fiber-laser-based terahertz spectrometer. Opt. Lett., 2010, vol. 35, no. 22, pp. 3799–3801.Рыбак А. А., Николаев Н. А., Кузнецов С. А., Yang Sh.-H. Применение ёмкостных микроструктур в качестве антиалиасных фильтров для задач широкополосной импульсной терагерцовой спектроскопии // Автометрия. 2020. Т. 56, № 1. С. 124–132.Rybak A. A., Nikolaev N. A., Kuznetsov S. A., Yang Sh.-H. Application of Capacitive Microstructures as Anti-Aliasing Filters for Terahertz Time-Domain Spectroscopy. Optoelectron. Instrument. Proc., 2020, vol. 56, no. 1, pp. 101–108.Harada H., Prasad R. Simulation and Software Radio for Mobile Communications. Artech House, 2002. 395 p.Harada H., Prasad R. Simulation and Software Radio for Mobile Communications. Artech House, 2002. 395 p.Slocum David M. et al. Atmospheric absorption of terahertz radiation and water vapor continuum effects. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2013, vol. 127, pp. 49–63.Slocum David M. et al. Atmospheric absorption of terahertz radiation and water vapor continuum effects. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2013, vol. 127, pp. 49–63.Wang Ch.-R. et al. Phase-matching in KTP crystal for THz wave generation at room temperature and 81 K. Infrared Physics & Technology, 2019, vol. 97, pp. 1–5.Wang Ch.-R. et al. Phase-matching in KTP crystal for THz wave generation at room temperature and 81 K. Infrared Physics & Technology, 2019, vol. 97, pp. 1–5.Wendao X., Xie L., Ying Y. Mechanisms and applications of terahertz metamaterial sensing: a review. Nanoscale, 2017, vol. 9, no 37, pp. 13864–13878.Wendao X., Xie L., Ying Y. Mechanisms and applications of terahertz metamaterial sensing: a review. Nanoscale, 2017, vol. 9, no 37, pp. 13864–13878.Withawat W., Naftaly M. Fundamentals of measurement in terahertz time-domain spectroscopy. Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, 2014, vol 35, no. 8, pp. 610–637.Withawat W., Naftaly M. Fundamentals of measurement in terahertz time-domain spectroscopy. Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, 2014, vol 35, no. 8, pp. 610–637.Thumm M. K. A., Arzhannikov A. V., Astrelin V. T., et al. Generation of High Power THz Waves in Relativistic Electron Beam Plasma and Two-Sheet-Beam FEM. Terahertz Sci. and Tech., 2012, vol. 5, no. 1, pp. 18–39.Thumm M. K. A., Arzhannikov A. V., Astrelin V. T., et al. Generation of High Power THz Waves in Relativistic Electron Beam Plasma and Two-Sheet-Beam FEM. Terahertz Sci. and Tech., 2012, vol. 5, no. 1, pp. 18–39.Аржанников А. В., Бурдаков А. В., Вячеславов Л. Н. и др. Диагностический комплекс для исследований генерации субтерагерцового излучения при пучково-плазменном взаимодействии на установке ГОЛ-3 // Физика плазмы. 2012. Т. 38, № 6. С. 496–505.Arzhannikov A. V., Burdakov A. V., Vyacheslavov L. N. et al. Diagnostic complex for studying the generation of subterahertz radiation during beam-plasma interaction at the GOL-3 facility. Plasma Phys., 2012. vol. 38, no. 6. pp. 496–505. (in Russ.)Kuznetsov S. A., Astafyev M. A., Gelfand A. V., Arzhannikov A. V. Microstructured Frequency Selective Quasi-Optical Components for Submillimeter-Wave Applications. In: Proc. 44th European Microwave Conf. (EuMC 2014). Rome, Italy, October 6–9, 2014, Article no. 6986576, pp. 881–884.Kuznetsov S. A., Astafyev M. A., Gelfand A. V., Arzhannikov A. V. Microstructured Frequency Selective Quasi-Optical Components for Submillimeter-Wave Applications. In: Proc. 44th European Microwave Conf. (EuMC 2014). Rome, Italy, October 6–9, 2014, Article no. 6986576, pp. 881–884.Кузнецов С. А., Гельфанд А. В. Исследование спектральных характеристик микроструктурных квазиоптических полосовых фильтров субтерагерцового диапазона // Изв. высших учебных заведений. Физика. 2015. Т. 58, № 11. С. 113–120.Kuznetsov S. A., Gelfand A. V. Investigation of Spectral Characteristics for Microstructured Quasi-Optical Bandpass Subteraherz Filters. Russ. Phys. J., 2016, vol. 58, no. 11, pp. 1605–1612.Thumm M. K. A., Arzhannikov A. V., Astrelin V. T., et al. Generation of High-Power SubTHz Waves in Magnetized Turbulent Electron Beam Plasmas. Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, 2014, vol. 35, no. 1, pp. 81–90.Thumm M. K. A., Arzhannikov A. V., Astrelin V. T., et al. Generation of High-Power SubTHz Waves in Magnetized Turbulent Electron Beam Plasmas. Journal of Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, 2014, vol. 35, no. 1, pp. 81–90.Arzhannikov A. V., Thumm M. K. A., Burdakov A. V., et al. Two ways for high-power generation of subterahertz radiation by usage of strong relativistic electron beams”. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, 2015, vol. 5, no. 3, pp. 478–485.Arzhannikov A. V., Thumm M. K. A., Burdakov A. V., et al. Two ways for high-power generation of subterahertz radiation by usage of strong relativistic electron beams”. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, 2015, vol. 5, no. 3, pp. 478–485.Kuznetsov S. A., Arzhannikov A. V., Gelfand A. V. et al. Microstructured Quasi-Optical Selective Components for Subterahertz and Terahertz Applications // Вестник НГУ. Серия: Физика. 2010. Т. 5, вып. 4, C. 79–90.Kuznetsov S. A., Arzhannikov A. V., Gelfand A. V. et al. Microstructured Quasi-Optical Selective Components for Subterahertz and Terahertz Applications. Vestnik NSU. Series: Physics, 2010, vol. 5, no. 4, pp. 79–90.Munk B. Frequency Selective Surfaces: Theory and Design. J. Wiley & Sons, 2000.Munk B. Frequency Selective Surfaces: Theory and Design. J. Wiley & Sons, 2000.Касьянов А. О., Обуховец В. А. Частотно-избирательные поверхности. Основные области применения // Антенны. 2005. № 9. C. 4–12.Kasyanov A. O., Obukhovets V. A. Frequency-selective surfaces. Main areas of application. Antennas, 2005, no. 9, pp. 4–12. (in Russ.)Holloway C. L., Kuester E. F., Gordon J. A. et al. An overview of the theory and applications of metasurfaces: The two-dimensional equivalents of metamaterials. IEEE Antennas Propag. Mag., 2012, vol. 54, no. 2, pp. 10–35.Holloway C. L., Kuester E. F., Gordon J. A. et al. An overview of the theory and applications of metasurfaces: The two-dimensional equivalents of metamaterials. IEEE Antennas Propag. Mag., 2012, vol. 54, no. 2, pp. 10–35.Glybovski S. B., Tretyakov S. A., Belov P. A., Kivshar Y. S., Simovski C. R. Metasurfaces: From microwaves to visible. Phys. Reports, 2016, vol. 634, pp. 1–72.Glybovski S. B., Tretyakov S. A., Belov P. A., Kivshar Y. S., Simovski C. R. Metasurfaces: From microwaves to visible. Phys. Reports, 2016, vol. 634, pp. 1–72.Möller K. D., Warren J. B., Heaney J. B., Kotecki C. Cross-shaped bandpass filters for the near- and mid-infrared wavelength regions. Appl. Opt., 1996, vol. 35, pp. 6210–6215.Möller K. D., Warren J. B., Heaney J. B., Kotecki C. Cross-shaped bandpass filters for the near- and mid-infrared wavelength regions. Appl. Opt., 1996, vol. 35, pp. 6210–6215.Chase S. T., Joseph R. D. Resonant array bandpass filters for the far infrared. Appl. Opt., 1983, vol. 22, pp. 1775–1779.Chase S. T., Joseph R. D. Resonant array bandpass filters for the far infrared. Appl. Opt., 1983, vol. 22, pp. 1775–1779.Кузнецов С. А., Астафьев М. А., Скляров В. Ф., Лазорский П. А., Аржанников А. В. Спектральные измерения диэлектрических свойств полипропиленовых пленок в субтерагерцовом диапазоне частот // Вестник НГУ. Серия: Физика. 2014. Т. 9, № 4. С. 15–38.Kuznetsov S. A., Astafiev M. A., Sklyarov V. F., Lazorsky P. A., Arzhannikov A. V. Spectral measurements of the dielectric properties of polypropylene films in the subterahertz frequency range. Vestnik NSU. Series: Physics, 2014, vol. 9, no. 4, pp. 15–38. (in Russ.)Розенберг Г. В. Оптика тонкослойных покрытий. М.: ГИФМЛ, 1958.Rosenberg G. V. Optics of thin-layer coatings. Moscow, GIFML, 1958. (in Russ.)Каплан А. Е. Об отражательной способности металлических пленок в СВЧ- и радиодиапазоне // Радиотехника и электроника. 1964. № 10. С. 1781–1787.Kaplan A. E. On the reflectivity of metal films in the microwave and radio ranges. Radio engineering and electronics, 1964, no. 10, pp. 1781–1787. (in Russ.)Carli B. Reflectivity of metallic films in the infrared. J. Opt. Soc. Am., 1977, vol. 67, no. 7, pp. 908–910.Carli B. Reflectivity of metallic films in the infrared. J. Opt. Soc. Am., 1977, vol. 67, no. 7, pp. 908–910.Casey J. P., Lewis E. A. Interferometer Action of a Parallel Pair of Wire Gratings. J. Opt. Soc. Am., 1952, vol. 42, pp. 971–977.Casey J. P., Lewis E. A. Interferometer Action of a Parallel Pair of Wire Gratings. J. Opt. Soc. Am., 1952, vol. 42, pp. 971–977.Renk K. F., Genzel L. Interference Filters and Fabry-Perot Interferometers for the Far Infrared. Appl. Opt., 1962, vol. 1, pp. 643–648.Renk K. F., Genzel L. Interference Filters and Fabry-Perot Interferometers for the Far Infrared. Appl. Opt., 1962, vol. 1, pp. 643–648.Ulrich R., Renk K. F., Genzel L. Tunable Submillimeter Interferometers of the Fabry-Perot Type. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1963, vol. 11, no. 5, pp. 363–371.Ulrich R., Renk K. F., Genzel L. Tunable Submillimeter Interferometers of the Fabry-Perot Type. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1963, vol. 11, no. 5, pp. 363–371.Rawcliffe R. D., Randall C. M. Metal Mesh Interference Filters for the Far Infrared. Appl. Opt., 1967, vol. 6, pp. 1353–1358.Rawcliffe R. D., Randall C. M. Metal Mesh Interference Filters for the Far Infrared. Appl. Opt., 1967, vol. 6, pp. 1353–1358.Sakai K., Fukui T., Tsunawaki Y., Yoshinaga H. Metallic mesh bandpass filters and FabryPerot interferometer for the far infrared. Jpn. J. Appl. Phys., 1969, no. 8, pp. 1046–1055.Sakai K., Fukui T., Tsunawaki Y., Yoshinaga H. Metallic mesh bandpass filters and FabryPerot interferometer for the far infrared. Jpn. J. Appl. Phys., 1969, no. 8, pp. 1046–1055.Steup D. A tuneable 600 GHz bandpass-filter with large free-spectral-range. Int. J. Infrared Milli Waves, 1992, no. 13, pp. 1767–1779.Steup D. A tuneable 600 GHz bandpass-filter with large free-spectral-range. Int. J. Infrared Milli Waves, 1992, no. 13, pp. 1767–1779.Kozlov G. V., Volkov V. V. Coherent Source Submillimeter Wave Spectroscopy. In: Millimeter and Submillimeter Wave Spectroscopy of Solids (Topics in Applied Physics, Vol. 74). Ed. by G. Gruener. Berlin, Heidelberg, Springer-Verlag, 1998, pp. 51–109.Kozlov G. V., Volkov V. V. Coherent Source Submillimeter Wave Spectroscopy. In: Millimeter and Submillimeter Wave Spectroscopy of Solids (Topics in Applied Physics, Vol. 74). Ed. by G. Gruener. Berlin, Heidelberg, Springer-Verlag, 1998, pp. 51–109.

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