Наблюдение поверхностного плазмонного резонанса в монохроматическом терагерцевом излучении на антимониде индия

В настоящее время интенсивно осваивается терагерцевый диапазон частот, находящийся на границе микроволнового и оптического диапазонов. Одним из широко используемых материалов в терагерцевой оптике является антимонид индия (InSb), чья плазменная частота ω_p зависит от степени легирования, температуры и освещенности поверхности. Обсуждается возможность генерации на поверхности образца InSb поверхностных плазмон-поляритонов – разновидности поверхностных электромагнитных волн – методом нарушенного полного внешнего отражения (НПВО) (схема Отто). При помощи формализма матриц рассеяния установлены условия наибольшей эффективности возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов. В случае применения для этого терагерцевого излучения с частотой ω немного меньше ω_p длина распространения таких плазмон-поляритонов и глубина проникновения их поля в окружающую среду (воздух) сравнимы с длиной волны излучения. Возможно достижение поверхностного плазмонного резонанса в виде резкого уменьшения интенсивности отраженного от основания призмы НПВО монохроматического излучения при изменении угла падения и величины воздушного зазора. Были выполнены тестовые эксперименты по наблюдению поверхностного плазмонного резонанса на пластине InSb с использованием призмы из высокоомного кремния и монохроматического излучения (λ = 141 мкм) Новосибирского лазера на свободных электронах. Исследована зависимость резонансного провала от величины воздушного зазора, отделяющего призму от поверхности образца, и установлено его оптимальное (в случае резонанса) значение для полупроводников с плазменной частотой в терагерцевом диапазоне.

Currently, the terahertz frequency range, which is on the border of the microwave and optical ranges, is being intensively mastered. One of the widely used materials in terahertz optics is indium antimonide (InSb), the plasma frequency ω_p of which depends on the degree of doping, temperature, and surface illumination. The possibility of generating surface plasmon polaritons, a type of surface electromagnetic waves, on the surface of an InSb sample using the attenuated total reflectance method (ATR) (Otto scheme) is discussed. Using the scattering matrix formalism, the conditions for the highest efficiency of excitation of surface plasmon polaritons are established. If terahertz radiation with a frequency slightly less than ω_p is used for this, the propagation length of such plasmons and the depth of their field penetration into the environment (air) are comparable to the radiation wavelength. It is possible to achieve surface plasmon resonance in the form of a sharp decrease in the intensity of monochromatic radiation reflected from the base of the ATR prism with a change in the angle of incidence and the size of the air gap. Test experiments were performed to observe surface plasmon resonance on an InSb wafer using a high-resistance silicon prism and monochromatic radiation (λ = 141 μm) from the Novosibirsk free electron laser. The dependence of the resonant dip on the size of the air gap separating the prism from the sample surface is studied, and its optimal (in the case of resonsnce) value is established for semiconductors with a plasma frequency in the terahertz range.