Разработка узкополосного фильтра для реализации метода андерсемплинга в импульсных терагерцовых спектрометрах

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.

1. Анцыгин 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.

2. 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.

3. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. М.: Радио и связь, 1986. 512 c.

4. Shannon C. Communication in the presence of noise. Proc. IRE, 1949, vol. 37, no. 1, pp. 10– 21.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. Harada H., Prasad R. Simulation and Software Radio for Mobile Communications. Artech House, 2002. 395 p.

9. 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.

10. 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.

11. Wendao X., Xie L., Ying Y. Mechanisms and applications of terahertz metamaterial sensing: a review. Nanoscale, 2017, vol. 9, no 37, pp. 13864–13878.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. Munk B. Frequency Selective Surfaces: Theory and Design. J. Wiley & Sons, 2000.

21. Касьянов А. О., Обуховец В. А. Частотно-избирательные поверхности. Основные области применения // Антенны. 2005. № 9. C. 4–12.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. Chase S. T., Joseph R. D. Resonant array bandpass filters for the far infrared. Appl. Opt., 1983, vol. 22, pp. 1775–1779.

26. 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.

27. Розенберг Г. В. Оптика тонкослойных покрытий. М.: ГИФМЛ, 1958.

28. Каплан А. Е. Об отражательной способности металлических пленок в СВЧ- и радиодиапазоне // Радиотехника и электроника. 1964. № 10. С. 1781–1787.

29. Carli B. Reflectivity of metallic films in the infrared. J. Opt. Soc. Am., 1977, vol. 67, no. 7, pp. 908–910.

30. 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.

31. Renk K. F., Genzel L. Interference Filters and Fabry-Perot Interferometers for the Far Infrared. Appl. Opt., 1962, vol. 1, pp. 643–648.

32. 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.

33. Rawcliffe R. D., Randall C. M. Metal Mesh Interference Filters for the Far Infrared. Appl. Opt., 1967, vol. 6, pp. 1353–1358.

34. 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.

35. Steup D. A tuneable 600 GHz bandpass-filter with large free-spectral-range. Int. J. Infrared Milli Waves, 1992, no. 13, pp. 1767–1779.

36. 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.