Úvod

Laboratoř terahertzové spektroskopie v oddělení dielektrik ve Fyzikálním ústavu v Praze byla zřízena v letech 1998 – 1999. Od té doby skupina terahertzové spektroskopie publikovala více než 70 článků v mezinárodních časopisech s impaktním faktorem.

Hlavním nástrojem našeho výzkumu je experimentální technika nazývaná terahertzová spektroskopie v časové doméně. Touto metodou lze měřit komplexní dielektrická a vodivostní spektra různých typů vzorků ve spektrální oblasti od 0.15 to 2.5 THz (5 až 85 cm⁻¹). Náš výzkum se zaměřuje na následující oblasti:

Feroelektrika a příbuzné materiály zahrnující zejména studium dynamiky měkkého módu v krystalech, keramikách a tenkých filmech. Cílem je využití těchto materiálů v laditelných THz aplikacích.
Fotonické krystaly, metamateriály a laditelné elementy pro terahertzovou oblast
Ultrarychlá fotovodivost v polovodičích a v molekulárních systémech (s využitím časově rozlišených experimentů typu optická excitace – terahertzové sondování)
Terahertzová mikroskopie a zobrazování v blízkém poli.

Terahertzová spektroskopie

Předpona Tera- označuje 10¹², neboli 1 000 000 000 000 (1 milión miliónů). Jeden terahertz (1 THz) se vztahuje k elektromagnetické vlně s frekvencí 10¹² cyklů za sekundu, které odpovídá vlnová délka ve vakuu 0.3 mm. Oblast frekvencí okolo 1 THz je často označována jako “terahertzová mezera” oddělující elektromagnetické spektrum na svět elektroniky pokrývající nízké frekvence a na svět optiky zahrnující vysoké frekvence (obr. 1). Ovšem donedávna bylo velmi těžké měřit v terahertzové spektrální oblasti, ať už s použitím konvenčních optických metod nebo klasických elektronických tranzistorových zařízeních, zejména kvůli nedostatku dostatečně výkonných zdrojů terahertzového záření.

Fig. 1. Spektrum elektromagnetického záření. S využitím THz spektroskopie v časové doméně umíme dosáhnout i tzv. terahertzovou (THz) mezeru.

Průlom přišel s vývojem ultrarychlých laserů dodávajících femtosekundové pulzy v optické oblasti (typicky ve viditelné a blízké infračervené). Takzvaný optoelektronický přístup ke generování a detekci širokopásmových THz pulzů využívá frekvenční konverzi optických pulzů do THz oblasti. Tato technika vznikla okolo roku 1990 a nazývá se THz spektroskopií v časové doméně. Ultrakrátký laserový pulz je v emitoru (což může být nelineární krystal nebo fotovodivá anténa) zkonvertován do širokopásmových pikosekundových pulzů terahertzového záření (obr. 2). Tato technika umožňuje fázově citlivou detekci. Za tímto účelem se používá element (opět nelineární optický krystal nebo fotovodivá anténa) citlivý na současnou přítomnost THz elektrického pole a optického pulzu. Měřený signál je potom úměrný okamžité hodnotě THz elektrického pole, přítomného v okamžiku příchodu “hradlovacího” femtosekundového optického pulzu. Změnou času příchodu (zpoždění) hradlovacího pulzu je možné proměřit celý časový průběh elektrického pole terahertzového pulzu. Recent technological innovations in photonics and nanotechnology have lead to a dramatic increase in the interest of the scientific and industrial community in the THz research and applications.

Time-domain THz spectroscopy is able to measure complex dielectric and conductivity spectra of various kinds of samples in a spectral range typically of 0.1–5 THz. Its frequency spectrum can be calculated as its Fourier transformation. In addition, the use of laser pulses for the THz generation makes it possible to perform so called pump-probe experiments where the sample is first excited by an optical (UV, VIS, IR) pulse and, subsequently, it is probed by a delayed THz pulse. This technique allows one to access the far-infrared fingerprints of the ultrafast dynamics on sub-picosecond to nanosecond time scales. The THz waves are able to excite soft polar phonons in solids, vibrations of larger chains in biomolecules, to induce plasma oscillations of free charge carriers with concentrations of ~10¹⁴ – 10¹⁸ cm⁻³ and to interact with carriers localized in nanoparticles. It is then possible to investigate a broad range of physical systems and phenomena.

Fig. 2. Příklad časového průběhu elektrického pole typického terahertzového pulzu (vlevo) a jeho spektrum (vpravo). Užitečné spektrum terahertzového pulzu pokrývá více než jednu dekádu (0.1 – 3 THz).

Terahertzové záření má značný potenciál v řadě aplikací:

Zobrazování v lékařství: Terahertzové záření proniká několik milimetrů do tkání s nízkým obsahem vody. Jeho citlivost na obsah vody jej předurčuje k použití jako sondu některých typů nádorů. Na rozdíl od rentgenových paprsků je terahertzové záření neionizující: jeho energie je příliš nízká než aby mohlo jakkoliv poškodit tkáně.
Bezpečnostní aplikace: Terahertzové záření "vidí" jiné materiály než klasické viditelné světlo. Terahertzové záření zejména proniká skrz většinu plastických hmot a oděvů, ale není propouštěno vodou. Díky těmto vlastnostem je terahertzové záření zajímavým nástrojem pro různé bezpečnostní kontroly.
Telekomunikace: Systémy založené na vlnách s terahertzovou nosnou frekvencích mohou pracovat s modulací ve velmi širokém frekvenčním pásmu a tak umožnit velmi vysoké přenosové rychlosti, které v principu mohou dosahovat řádu 10¹¹ bits·s⁻¹.