02太赫兹波的产生

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激光器的分类
分类标准:工作物质的不同 固体激光器 气体激光器 液体激光器 半导体激光器 自由电子激光器
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方法一:太赫兹气体激光器

利用一台CO2 激光器输出的远红外光来泵浦一个充有 甲烷(CH4)、氨气(NH3)、氢化氰(HCN)或是甲 醇(CH3OH)等物质的低压真空腔,由于这些气体分 子的转动和振动能级间的跃迁频率正好处于太赫兹频 段,所以可以形成太赫兹受激辐射,从而在光泵浦太 赫兹激光器中直接辐射出太赫兹波。 甲醇分子气体激光器是最常见的光泵浦太赫兹激光器 之一。 它已经在美国国家航空航天管理局(NASA)所命名的 “先兆”(AURA)卫星上投入了实用。以此来观测 大气。
Current (mA)
0.0 -0.2 -0.4 -0.6 -30 -20 -10 0 10 voltage (V)
AuGeNi ( X100 ) Ti/Au
20
30
具有AuGeNi电极的天线和Ti/Au电 极的天线的伏安特性曲线
影响天线发射功率的因素——电极材料
Ti/Au电极天线和AuGeNi电极天 线的比较
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不同材料的THz辐射强度比较
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பைடு நூலகம்

GaAs和InP表面发射THz辐射
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影响天线发射功率的因素——天线结构
天线结构通常有偶极天线、共振偶极天线、锥形天线、传输 线天线以及大孔径光电导天线等。 大多数实验中采用偶极天线和传输线天线,其结构相对比较简单。
Emitter V E laser pulse
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发展历程
超快激光技术
从1THz向两边
超快激光技术,这类技术是从1 THz向低频和高频两 个方向同时发展。
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相干THz源的发展历史
电子学
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光学
超快光电子学
2.2 THz辐射源的分类

基于光学效应的THz辐射源

光电导天线 光整流 空气产生太赫兹 太赫兹参量源 气体激光器

基于电子学的THz辐射源
有无热沉的天线
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影响天线发射功率的因素——刻蚀工艺
刻蚀也是提高击穿场强的一种方法。 电极未作刻蚀处理时, 电极与天线材料接触的位置电流通道最薄,容易产热,天线 容易在此处烧坏; 采用刻蚀工艺后,增加了电极和天线材料的接触面积,增加了 电流通道,减小了接触电阻;电极被埋在芯片中不易导致空气 放电击穿。
超半球形透镜为等光程的,即没有球差和彗差。对于Si透镜而言, 在THz波段它的折射率基本与GaAs相当,采用这种超半球形透镜,几 乎所有的前向 THz 波均能耦合出 PCA ,对于耦合出的 THz 波的发散问 题,还需其它的聚焦元件如透镜或反射镜。
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光电导天线实例
由高阻硅构成的球面聚焦透镜,作用主要有两个:一是准 直THz波,二是消除衍射效应和截面反射。
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工作原理
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非线性介质

非线性介质的非线性系数对所产生的太赫兹脉冲的振 幅强度、频率分布以及光整流的转换效率有影响。
常用的非线性介质: LiNbO3、LiTaO3、InP 、CdTe 、 GaAs 、 ZnTe和 有机晶体DAST等
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系统结构
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THz的指标参数

频率范围

太赫兹辐射的带宽上限由泵浦激光脉冲的宽度决定,最高 频率可以达到50THz,甚至可以达到100THz 纳瓦量级

功率范围

两种THz辐射产生方法的比较 光导天线:强度高,频带窄(0-5THz) 光学整流:强度低,频带宽(0-几十THz)
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方法三:空气产生太赫兹

空气产生太赫兹,是将超短强激光脉冲聚焦在周围空 气中直接产生太赫兹的技术。 优点:该方法可在远处(可在几公里远)产生太赫兹 波,所以应用前景十分美好。 缺点:辐射机理没有被完全解开。
共振偶极天线
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传输线天线
光导天线的变形
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影响天线发射功率的因素——电极间隙和宽度
width gap
光能相同,光斑覆盖电极照射 屏蔽效应
天线电极间隙对辐射THz强度的影响
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不同电极宽度的天线
影响天线发射功率的因素——天线耐压设计
通常天线的耐压能力与半导体芯片材料、天线电极的结构与形状 以及所采取的绝缘保护措施有关。 双层全固态绝缘封装工艺
仅采用Si3N4绝缘保护的光电导天线的耐压可以提高三倍,再加 有机硅凝胶后,击穿电场可以提高近十倍,即达到100 kV/cm。
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影响天线发射功率的因素——天线工作温度
Planken采用水冷装置,可以给未加绝缘保护的0.4 mm的光 电导天线施加50 kHz,± 400V的方波交流电压,得到THz电 磁波的功率高达100 µW。
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影响天线发射功率的因素——光电导体
性能良好的光电导体应该具有尽可能短的载流子寿命、高的载 流子迁移率和介质耐击穿强度。 LT-GaAs 暗态电阻(>107 Ω•cm) 载流子迁移率(100-300 m2/V•s) 载流子寿命(0.25 ps ) 击穿强度(> 500 kV/cm) 然而LT-GaAs的制备工艺的重复性不好,因为LT-GaAs的性质 对制备温度和退火温度依赖很强。 离子注入GaAs: 一些离子注入半导体材料( GaAs:As , GaAs:H , GaAs:N , GaAs:O)可能成为低温LT-GaAs的替代产品。
当高能量的超短激光脉冲聚焦在空气中时,焦点处的空气 会发生电离现象形成等离子体。由此所形成的有质动力会 使离子电荷和电子电荷之间形成大的密度差,而且这种电 荷分离过程会导致强有力的电磁瞬变现象的发生,从而辐 射出太赫兹波。
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辐射机理

当前对空气等离子体产生太赫兹的机制解释还没有完 全的定论; 现有许多模型如有质动力模型、辐射压力模型、四波 混频模型和量子模型等,都在试图对其进行解释,但 都只能对该部分该现象给予正确解释。 其中四波混频模型是在文献中应用比较多的解释之一。
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基本概念

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辐射机理


如果入射到非线性介质中的是超短激光脉冲,则根据 傅立叶变换理论可知,一个脉冲光束可以分解成一系 列单色光束的叠加,这些单色光将会在非线性介质中 发生混合。其中,由差频振荡效应会产生一个低频振 荡的时变电极化场。这个时变电极化场可以辐射出太 赫兹波。 光整流的物理过程是一个瞬间完成的过程。

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实验装置

实验装置主要有以 下三种:
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装置一

将 波 长 为 800nm 或 400nm ,持续时间为 100fs 的 激 光 脉 冲 聚 焦到空气中产生等离 子体从而辐射太赫兹 波。
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装置二

是将波长为 800nm 或 400nm ,持续时间为 100fs 的 激 光 脉 冲 聚 焦到空气中产生等离 子体从而辐射太赫兹 波,只是在聚焦透镜 后添加一块了 BBO 晶 体,其作用是用来倍 频。
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OPTL 的泵浦源也可以利用电子学的方法制得。这种 OPTL 可以 完全密封起来,所以可对其不加维护,而且它的寿命也很长。 用射频(RF)激励代替了 CO2 激光器所用的直流(DC)放电 激励。
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发展历程
世界各国主要沿着三条途径开发太赫兹辐射源:
真空电子技术
短波方向
以微波元件为代表的真空电子技术,包括微波管、固体微 波源以及耿氏二极管等,这类技术来自于微波技术向短波 方向的发展。
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发展历程
激光光学技术
长波方向
以太赫兹激光器为代表的激光光学技术,包括气体激光 器、半导体激光器以及自由电子激光器等,这类技术来 自于激光技术向长波方向的发展。
Ti/Au电极天线的稳定性
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系统结构
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方法二:光整流

光整流是产生太赫兹脉冲的一种常用机制,它是一种非线 性效应,是电光效应的逆过程; 这种模型是由S. L. Chuang等人在1992年提出的。
光学整流效应是一种非线性光学效应,是利用激光脉冲(脉冲宽度在亚皮秒量 级)和非线性介质(如ZnTe等)相互作用而产生低频电极化场,此电极化场辐 射出THz电磁波.
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THz波的指标参数


频率范围 0.1THz-5THz 功率范围 纳瓦到微瓦量级
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注意事项
THz辐射性能决定于以下因素: *光导体:短的载流子寿命、高的载流子迁移率和介质耐击 穿强度 *天线几何结构、电极间隙、天线耐压设计、天线工作温度、 刻蚀工艺 *电极材料 *泵浦激光脉冲宽度
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实验系统
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实验结果
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THz的指标参数


频率范围 频率0.1THz-10THz 功率范围 纳瓦到微瓦量级
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2.4 基于激光光学技术的THz辐射源

激光器是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质 中放大或振荡发射的器件。
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基本概念

除自由电子激光器外,各种激光器的基本工作原理均 相同,产生激光的必不可少的条件是粒子数反转和增 益大过损耗,所以装置中必不可少的组成部分有激励 源、具有亚稳态能级的工作物质两个部分。 激励方式:光学激励,气体放电激励,化学激励,核 能激励。 工作物质:晶体和玻璃,气体,溶液,半导体,在空 间周期变化磁场中高速运动的定向自由电子束。
光电导天线 电子-空穴对
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研究历史

光电导天线是目前众多THz 产生技术中应用最广泛的 方法之一; 它是由美国贝尔实验室的Auston研究小组在1984年首 先提出并初步试验成功;
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THz 波的耦合
辐射电场是典型的点偶极子辐射模式,需要用聚焦元件去 准直,收集方式有前向收集和背向收集两种。

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太赫兹气体激光器

泵浦源:

CO2 激光器输出的远红外光。 甲烷(CH4)、氨气(NH3)、氢化氰(HCN)或是甲醇 (CH3OH)等气体物质。 气体分子的转动和振动能级。
工作物质:


跃迁能级:

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甲醇气体激光器的工作原理
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工作原理

甲醇分子气体激光器是由一个光栅调谐的CO2激光器泵浦源和 太赫兹激光器单元组成的。 太赫兹激光器单元是由一个充满甲醇分子气体的低压真空腔、 光学反馈系统(腔镜)、泵浦输入系统,及辐射输出系统组成。 甲醇分子气体激光器利用甲醇分子的转动跃迁来实现太赫兹辐 射。 当泵浦源所发出的红外光(9-11μm,31THz附近)的光子能量 接近于甲醇分子从基态的转动能级跃迁到激发态的转动能级所 需的能量时,这些红外光子会被甲醇分子吸收;然后在一定的 条件下形成转动能级反转,即粒子数反转,由此向外辐射出太 赫兹(118.83μm,约为2.5THz)。 高频泵浦低频的过程。
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影响天线发射功率的因素——电极材料
AuGeNi合金电极
0.2
(1)电极制备工艺的重复性好; ( 2 )退火后与 GaAs 材料形成 欧姆接触,表现出很高的电导 率; (3)传统的制备工艺和多种退 火方式都可以采用。 Ti/Au电极 (1)一种不需退火的工艺。 (2)与GaAs形成肖特基接触。
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真空电子器件 相对论性电子器件 半导体激光器
2.3 基于超快技术的THz辐射源

光电导天线 光整流 空气产生太赫兹
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方法一:光电导天线

光电导天线的结构
常用的半导体衬底:砷化镓(GaAs),磷化铟(InP), 用放射法制作的有缺陷的硅晶片。
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工作原理
入射光子 E 在电场中加速 的载流子 THz脉冲
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装置三

利用分色镜将波长为 800nm 和 400nm ( 基 频 波与二次谐波)的两束 光混合在一起,通过干 涉相长或干涉相消对太 赫兹辐射进行相干控制。
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辐射的主要机制

产生太赫兹波的主要机制是在空气等离子体中混合的 ω 与 2ω光束发生的三阶非线性光学效应,即四波混频过程。 太赫兹场的极性和强度完全由 ω与2ω 光束间的相对位相控 制。 在四波混频过程中,当所有光波( ω 、 2ω 及 THz )的偏振 态均相同时产生的太赫兹效果最佳。
2
2.1 THz辐射源概述

THz辐射源是THz技术能否转化为现实生产力的关键环节。 随着20世纪80年代一系列新技术、新材料的发展,特别 是超快技术的发展,使得获得宽带稳定的脉冲THz源成为 一种准常规技术,THz技术得以迅速发展,并在实际范围 内掀起一股THz研究热潮。

但是,目前尚缺少高功率、低成本、便携式、常温工作 条件下的THz辐射源,这已经成为21世纪THz领域迫切需 要解决的实际问题。
太赫兹理论与技术
2 太赫兹波的产生
陈春红
1
主要内容

2.1 THz辐射源概述 2.2 THz辐射源分类 2.3 基于超快技术的THz辐射源 2.4 基于激光光学技术的THz辐射源 2.5 基于真空电子技术的THz辐射源 2.6 其他THz辐射源 2.7 THz辐射源的发展方向
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