小孔径螺旋型光电导天线的太赫兹辐射特性研究
SI-GaAs光电导天线产生THz电磁波的性能分析
第1章太赫兹简介1.太赫兹简介1.1太赫兹电磁波概述太赫兹电磁波(t era h er t z,m z)通常是指频率在0.lm z一10T H z(波长在3m m一3咖m)之间的电磁波,其波段在微波和红外之间,属于远红外和亚毫米波段范围。
在20世纪80年代中期以前,由于缺乏有效的产生方法和探测手段,研究人员对该波段电磁辐射性质的认识很有限,所以在相当长的一段时期,很少有人问津电磁波波谱中的这一波段,以至于形成远红外和亚毫米波空白区,也就是太赫兹空白区,人们称之为“太赫兹间隙”,如图1一1所示。
电子学微波一.-十一一一一一十2001031061024d e k i l o m e它a应用无线电雷达通信太赫兹光子学可见光x一射线爷射线一10121015te fa D e ta光通信生物成像10181021C X a Z e tta天体物理频率八七图1一1电磁波频谱图F i g.1一1.E le e tr o m ag n e tie sP e e t r u m1.2太赫兹电磁波的特性太赫兹波的频率范围位于电子学与光子学交汇处,是宏观经典理论向微观量子理论过渡区域。
在太赫兹的低频段,可以用经典的麦克斯韦电磁理论来描述,而在其高频段,则可用光量子理论解释,正是由于太赫兹波在电磁波谱中的独特地位,使其有着不同于其它电磁波段的独特特性【‘一‘’。
1.2.1瞬态性通常情况下,太赫兹脉冲的典型脉宽都是在皮秒以及亚皮秒量级,脉冲的持续时间也都为几个皮秒。
这就可以对检测物品(包括固体、液体、生物样品等)进行皮秒、亚皮秒时间分辨的瞬态光谱研究,而且通过取样测量技术,例如太赫兹时域光谱技术(T H zt i m e一d o m a i n sp ec t r u m)能够有效地抑制背景辐射噪音的干扰,得到很高的信噪比(S N R),目前,辐射强度测量的信噪比可达到10’“,而且太赫兹电磁波具有对黑体辐射或者热背景不敏感的优点。
一种新型的UHF分段螺旋天线的研究
1
分段螺旋天线的设计
螺旋是一种基本的三维结构, 一根绕在均匀柱体表面的螺旋导线 , 当柱面展开成平面时就变成了一
条直导线。若向着端面望去, 则一根螺旋投影成一个圆。因此, 螺旋结合了直线 , 圆以及柱体的几何形 式。此外, 螺旋还具有旋向, 既可以是左旋的 , 也可以是右旋的[ 2] 。在俄亥俄州立大学的一次实验中发 明了螺旋天线之后, 螺旋天线在电话、 电视、 人造卫星以及数据空间通信中很快得到了广泛的应用。 螺旋天线是一种弹簧形结构的行波天线 , 通常一端接有限或无限大的接地板。如图 1 所示其结构 可用以下几何参数描述:
Abstract: The concept of non- uniform helixes is further developed into multiple- pitch helix to create multiple
resonances that can be loaded and combined into broad, matched bandwidth. In this paper, the design is elaborated which is working in UHF frequency band. The tools used, design condit ions, performance and limitat ions are pre sented. Key words: multiple pit ches; input impedance; non- uniform; match
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匀螺旋天线, 当螺旋结构满足 D =
本文选取螺旋天线的尺寸 如图 2 所示 : 螺旋半径 R 为 10mm, 绕制螺旋线导 线粗 2mm, S 分别为 P1 = 20mm, P2 = 4mm, P3= 10mm, P4 = 4mm, P5 = 15mm, P6= 4mm, P7 = 7. 5mm。螺旋圈数分别为 N 1 = 5. 5 圈, N2 = 6 圈 , N 3= 6 圈 , N4 = 4 圈 , N5 = 8 圈 , N6 = 12 圈, N7 = 3 圈。整个分段螺旋天线的轴长 Lax 决定了天线的 谐振频率点中的最低频率点, 大约为 64MHz。而 64MHz 的 5 次谐波为 320MHz, 这是此天线的第二个工 作频段[ 4] 。而此分段螺旋天线的第一段 , 第二段和第三段以及第四段螺旋 L1, L2 , L3 以及 L4 引起了分别 大于 320MHz 和小于 320MHz 的两次谐振 , 展宽了工作频带。通过添加第五段, 第六段以及第七段螺旋 可以使天线的工作带宽展宽到 300- 340MHz。并且通过调节第六段以及第七段螺旋 , 可使天线直接与 50 同轴线匹配
小孔径蝴蝶型光电导天线太赫兹辐射源的研究
小孔径蝴蝶型光电导天线太赫兹辐射源的研究引言在当前科技发展迅猛的时代,太赫兹技术作为一种新兴领域,吸引了广泛的关注。
太赫兹波(Terahertz wave)是指频率介于红外线与微波之间的电磁波,具有很强的穿透力以及较高的分辨率。
因此,太赫兹技术在医学、安全检测、材料研究等领域有着潜在的应用前景。
小孔径蝴蝶型光电导天线太赫兹辐射源作为太赫兹波源之一,具有独特的优势,成为近年来研究的热点之一。
小孔径蝴蝶型光电导天线的原理小孔径蝴蝶型光电导天线是一种用于太赫兹波辐射的器件。
其原理基于光电效应,通过激光脉冲的照射,将光能转换为电能,并在小孔径蝴蝶型结构上产生电磁波辐射。
这种结构的设计可以实现太赫兹波的辐射和探测,具有较高的效率和较宽的频率带宽。
小孔径蝴蝶型结构小孔径蝴蝶型结构由金属薄膜构成,包括两个相互靠近的微细导电臂和连接它们的微细导电成对条。
这种设计能够产生电流流动,从而产生太赫兹辐射。
光电效应光电效应是指当光照射到金属表面时,金属内的自由电子受到激发并跃迁到导带中。
光电效应是小孔径蝴蝶型光电导天线的基础,通过光电效应,光能转化为电能,并在小孔径蝴蝶型结构上产生太赫兹辐射。
小孔径蝴蝶型光电导天线的性能研究小孔径蝴蝶型光电导天线的性能研究主要包括以下几个方面。
辐射效率是指辐射功率占激励功率的比例。
由于小孔径蝴蝶型结构的设计和制备具有一定的难度,提高辐射效率是该领域研究的重要目标之一。
频率带宽频率带宽是指辐射源在一定的频率范围内能够辐射出太赫兹波的能力。
小孔径蝴蝶型光电导天线具有较宽的频率带宽,这对于太赫兹应用中的信号获取和处理非常重要。
辐射方向性辐射方向性是指辐射源在空间中的辐射特性。
通过调整小孔径蝴蝶型光电导天线的结构参数,可以实现不同方向的辐射,从而满足不同领域中的需求。
整体结构优化小孔径蝴蝶型光电导天线的整体结构对其性能有着重要的影响。
通过优化结构参数和材料选择,可以进一步提高小孔径蝴蝶型光电导天线的性能。
光电导天线产生太赫兹波的理论和实验研究的开题报告
光电导天线产生太赫兹波的理论和实验研究的开题报告导引现在电磁波在我们的日常生活中发挥着越来越重要的作用。
然而,由于其波长太短,传统的表征红外和微波的技术无法有效处理电磁波较高频率的问题。
因此,发展新的传输技术才能更好地满足高频率技术需求。
一些科学家从光电效应开始研究电子行为,以解决电子的研究难题。
在这个过程中,光电导天线被提出作为一种新型的高频率辐射源。
太赫兹波作为电磁波谱的一部分,频率介于微波和红外之间,具有很强的穿透力和非常有希望的潜在应用前景。
通过研究电子行为的特殊结构和物理特性,在实验上产生太赫兹辐射已成为一个有挑战性的问题。
提出研究的目的和意义本文旨在分析光电导天线产生太赫兹波的理论和实验研究。
其主要目的如下:1.理解光电导原理2.探究光电导天线在太赫兹波发射中的作用3.初步探讨实验方案4.推广利用光电导天线发射太赫兹波的应用前景。
研究现状和关键问题在目前的研究中,光电导天线已经被广泛使用在高频区域辐射源的研究中。
它是一种利用光电效应产生电流并将其转化为太赫兹波的装置。
科学家们通过探索闪电的物理特性理论,在技术上成功地实现了从微波到红外的频段产生太赫兹波,但其不太健康的特性将难以应用于现代通讯、医学、信息科技和生物科学。
现阶段,一些研究对光电导天线与太赫兹波的关系进行了探索,但在实验方法上仍存在一些问题,例如,如何提高辐射功率、如何制作合适的宽带天线等。
这些问题都需要解决,以实现更好的太赫兹辐射效果。
研究内容和方法根据研究现状和关键问题,我们主要进行以下研究内容和方法:1.通过理论分析掌握光电导原理;2.探究光电导天线在太赫兹波发射中的作用,了解太赫兹波的物理特性;3.结合实验,建立太赫兹波辐射模型,优化实验方案;4.评估光电导天线产生太赫兹波的实用性和应用前景。
预期成果我们期望本次研究能达成以下成果:1.理解光电导原理,掌握光电导天线在产生太赫兹波过程中的作用;2.建立切实可行的实验方案,展示太赫兹辐射的物理特性和产生机制;3.评估光电导天线产生太赫兹波的实用性和应用前景,为其在未来的高频通讯、生物医学和材料科学等领域的发展做出一定贡献。
SI-GaAs光电导天线产生THz电磁波的性能分析
SI-GaAs光电导天线产生THz电磁波的性能分析SI-GaAs光电导天线产生THz电磁波的性能分析西安理工大学硕士学位论文Tit l e :PE RF OR MAN CEA NP H O T O C O N D U C T !V E A N T E N N AM a j o r: P h y s ic a l E le c tro n ic SN a m e : Y O n g C h e nS u P e r v is o r : P ro f. W e i S h iA b s t 旧 C th it h i s d i s se r t a t io n,F i rs t, SPaee h a r g ef i e ld d y n a m ie s u n d e r P u m P la se r P u lse 15 stu d ie d . T h e m a i n P e a kf r e q u en ey o f P h oto eon d u ctiv e a n t en n a m ov es to h igh f r e qu en ey 诚 t h t h e d eerea s e o f t h e g a p o fa n te n n a . B a s e d o n t h e re la x a t io n tim e o f c 田汀ie r a n d v e lo e ity o v e rsh o o t o f e a t r i e rs ,t h e m a i n P e a k f r e q u e n c y o f P h o t o e o n d u c t i v e a n t e n n a w ill g ro w u P w i t h t h e in e re a se o fb ia s e le e t r i e f i e ld . P a r t ie u la r ly , th e in f l u e n e e o f 朴刃0 k l n d s o f e lec t r i e f i e ldse r e e n i n g o n T H z ra d ia t io n 15 a n a ly z e d .Se e o nd,as e ried if fe re n t d ista n c e s of tw o e le e t r o d e s a n d d if f e r e n t e le c tro d e s , w id th ,w e re e 斌 ie d ou t . T h ea n t e n n a s w it h w i d e r e le e t r o d e s h a v e m o re stab le P e 而 r m a n e e s . U n d e r t h esa m e P o w e r o f la s e rpulse a n 住t h e w h ole g 即 covered by laser ,t h e ef f i ciency of T H z am plit u de of - l a r ger g 即a n t e n n a w a sb ig g e r t h a nth a t o f n a ro w ,a n d t h e P h e n o m e n o n w a s a na l y z e db y se r e e n i n g .T h ird ,d o a b le in i e n se te ra l e r t zra d ia t io n e a n b e g e n e ra te d b yP h o to e o n d u e tiv e a n te n n a 印汀a y 初 t hi n te r d ig ita l e le c t r od e s . C o m P a r e d t h e P e rf o r m a n e e o f o n e a n te n n a 耐 t of t h e a ra y诚 t h t h a t o f e o n v e n i io n a l re so n a n td iP o le an t e n n a ,t h e T H z田的P lit U d e o f e n t i r e i n t e rd ig ita la n t e n a a r y e a nb e m o re t h a n 1 0 tim e s l 哩 e r th a nt h a t o f r e so n a n t d iP ole a n te n a illu m in a t e db y a n e n o u g h P o w e 而 1 a n d la r g e la se r b e a mu n d e r t h e sa m e e le c t r i e a l f i e ld .F o u r t h ,w e sim u l a t e d t h e t 加 e d o m a i n c u r ve s of th e n e a rA b s t r a C tT h is w ork w a s su P P or t ed b y t h e N a t io n al B asie R esea r eh P ro gra m of C h in a (9 7 3P ro gra m)u n d e r G ra n l 2 0 0 7 C B 3 1 0 4 0 6 .目录目录.,.,,..…l二..........……,........……,.,.,1. 太赫兹简介....................................................……,.…,.,.,.,1.1 太赫兹电磁波概述.......................................................................................................……11.2 太赫兹电磁波的特性............……,....................................‘. (1),二.......................……1.2 .1 瞬态性......................................................................................……,11.2 .2 宽带性 (2)(2)1.2 .3 相干性..............................................................……,1.2 .4 低能性 (2)1.3 太赫兹辐射的应用 (2)(2)1.3 .1 天文雷达..........................................................……,1.3 .2 通讯领(2)域................................................................................................……,1.3 .3 生物医(3)学.................................................……,(3)1.3 .4 探测成像.................................................................................……,1.4 太赫兹发射、传播和探测技术 (4)(4)1.4 .1 T H z 电磁波的产生源...............................................................……,1.4. 2 太赫兹波的探测................................................................._ (7)1.4 .3 T H z 波的传输 (9)1.5 国内外研究现状 (10)1.6 本文的主要工作及其意义 (1)2 . 光导开关及其工作模.13式..................................................................……,.......................……,2 .1 半绝缘砷化嫁材料的基本特性 (13)西安理工大学硕士学位论文2 .3 .3 两种工作模式的比较 (20)2. 4 本章小结 (21)3 . 光电导偶极天线T H z 辐射理论与实验结果分析........................................................……2 2 3 .1 光电导体产生T H z 电磁波的理论模型....................................................................……2 23 .1.1 光电导偶极天线理论模型 (22)3 .1.2 大孔径天线T H z 辐射场强度的近、远场表达式 (24)3 .2 光电导天线产生T H Z 波的饱和与屏蔽效应 (25)(25)3 .2 .1 屏蔽效应对T 月[z脉冲波形的影响..........……,3 .2 .2 近场辐射屏蔽与空间电荷电场屏蔽的动态过程 (28)3 .3 51一G a A s 光电导偶极天线辐射T H z 电磁波实验与结果分析 (29)3 .3 .1 实验装置 (30)3 .3 .2 实验结果与分析..................................................................................................……3 0...........................................……,(37)3 .4 叉指型阵列天线……,3 .4 .1 实验................................................................................................................... ...……3 73 .4 .2 结果与分(38)...........……,......................……,析...........……,................................................................................................................……3 .5 本章小结…二乃94 . 模拟分析影响太赫兹波波形的因素..............................................................................……4 04 .1 大孔径天线近、远场T H z 辐射解析表达式 (40)4. 2 大孔径天线T H z 辐射的数值模拟 (42)4. 2 .IT H z 辐射的时间特性和频率特目录5,结论与展..........................................................................................……4 9望.....................……,5 .1 结论................................................................................................................... ..........……4 95 .2 展望 (50)致(51)谢........……,参考文献 (52)附录................................................................................................................... ....................…(56)第 1 章太赫兹简介1 . 太赫兹简介1. 1 太赫兹电磁波概述太赫兹电磁波 (tera h er t z ,m z ) 通常是指频率在 0 .lm z一10T H z (波长在 3 m m 一3 咖 m ) 之间的电磁波,其波段在微波和红外之间,属于远红外和亚毫米波段范围。
光电导天线产生太赫兹波的研究
光电导天线产生太赫兹波的研究
肖健;高爱华
【期刊名称】《应用光学》
【年(卷),期】2010(031)003
【摘要】研究了光电导天线产生太赫兹波的辐射特性,采用时域有限差分方法(FDTD)来模拟计算光电导偶极天线的辐射特性,并在计算机上以伪彩色图进行了图形显示.采用电偶极子天线模型,以0.1 THz电磁波为例计算了天线辐射的特性参数,得到天线的辐射电阻为790 Ω,方向性系数为1.5.结果表明,光电导天线可以采用偶极天线的理论进行计算,可以通过提高电长度来增大辐射电阻,从而提高太赫兹的辐射功率.
【总页数】5页(P395-399)
【作者】肖健;高爱华
【作者单位】西北大学,物理学系,陕西,西安,710069;西北大学,物理学系,陕西,西安,710069;西安理工大学,陕西,西安,710048
【正文语种】中文
【中图分类】TN29;O434.3
【相关文献】
1.飞秒激光触发光电导天线产生太赫兹波的研究 [J], 肖健;高爱华
2.光电导天线太赫兹波辐射特性研究进展 [J], 闫兴伟;魏志强;李春化
3.光电导天线太赫兹波辐射特性研究进展 [J], 闫兴伟;魏志强;李春化;
4.大孔径光电导天线产生的太赫兹脉冲时间特性研究 [J], 张同意;曹俊诚
5.有限厚大孔径光电导天线产生的太赫兹辐射远场时域特性分析 [J], 李凡;张同意;王屹山;朱少岚;赵卫;侯洵
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光电导天线产生THz波研究的开题报告
光电导天线产生THz波研究的开题报告一、选题背景及意义THz波(太赫兹波)是介于微波和红外线之间的电磁波,频率在0.1~10 THz范围内。
它具有穿透力强、非电离性、与生物组织相容性好、高时间分辨率等特点,并且具有广泛的应用前景,例如:斑马线扫描成像、超快电路测试、无损检测、化学、生物医学诊断等方面。
其中,THz 波的无线通信技术被广泛关注,近年来,相关研究者利用太赫兹波进行了无线通信系统的构建。
为了实现THz波的探测和传输,需要高效、灵敏的接受机和发射机。
然而,传统的太赫兹波发射机和接收机过于昂贵和复杂,限制了它们的应用。
因此,人们需要寻找一种新的太赫兹波产生方式,以便加快THz波的应用推广进程。
此处所提出的光电导天线即为近年来出现的新型太赫兹波产生方式,它主要基于超快激光器产生电磁波脉冲,然后通过布儒斯特角等非线性材料将高频激光转化为太赫兹波。
相比于传统的发射机和接收机,光电导天线具有简单、易于制备、携带方便等优点。
因此,基于光电导天线产生THz波的研究具有重要的实用价值和应用前景,是当前的研究热点之一。
二、研究内容和方法本研究将从以下几个方面开展:1. 光电导天线的基本原理和工作机制,探讨从高频激光到太赫兹波产生的物理过程。
2. THz波辐射特性的数值模拟研究:建立适当的模型,对光电导天线产生的THz波的辐射特性进行数值模拟分析,包括辐射模式、辐射角度、辐射强度等。
3. 光电导天线产生THz波的实验研究:利用原型系统进行实验,对光电导天线产生THz波的参数进行测量,实现THz波的激发、传输和接收。
4. THz波的应用研究:探索基于光电导天线产生THz波的应用前景,例如,无损检测、生物医学诊断等。
三、预期成果和价值1. 深入了解光电导天线产生THz波的物理机制,为此类研究提供物理基础支撑。
2. 对光电导天线传输THz波辐射特性进行数值模拟,为实验验证提供理论依据,提高实验工作的效率。
3. 验证光电导天线产生THz波的原理、性能和应用,并初步探索基于光电导天线的THz波应用领域。
光电导天线产生太赫兹波的研究的开题报告
光电导天线产生太赫兹波的研究的开题报告一、选题背景随着无线通信技术的发展,太赫兹波作为一种新型的无线通信技术,在短距离高速数据传输、安全检测、物质成像等领域正在逐渐得到应用。
目前太赫兹波的产生主要采用的是脉冲激光、微波加速器和双光子发射等技术,这些技术存在着操作复杂、成本高和设备庞大等缺点。
而光电导天线则可以通过激光脉冲的照射产生太赫兹波,具有响应快、效率高、尺寸小等优点。
因此,研究光电导天线产生太赫兹波的机理和优化其性能具有重要意义。
二、研究内容本项目的主要研究内容包括以下几个方面:1. 光电导天线的基本原理及其产生太赫兹波的机理研究。
主要探究激光脉冲的照射对于光电导天线内部电子运动的影响,以及如何改善太赫兹波的生成效率和频段宽度。
2. 光电导天线的设计与制备。
利用现有的研究成果,设计并制备出具有优异性能的光电导天线,实现太赫兹波的高效产生。
3. 太赫兹波的性能测试。
对于产生的太赫兹波进行频率、功率、波形等多方面的测试,探究光电导天线在产生太赫兹波中的优化路径。
三、研究意义本项目的研究成果将有助于:1. 推动太赫兹波的发展,促进其在现实应用中的推广和应用。
2. 拓展太赫兹波的产生技术,提高其产生效率和可控性。
3. 发掘光电导天线在其他领域的应用潜力。
四、研究方法本项目的研究方法主要采用理论计算和实验验证相结合的方式。
在理论计算上,利用有限差分和有限元法等数值模拟方法,研究光电导天线产生太赫兹波的机理和优化方法;在实验方面,则主要利用激光脉冲产生太赫兹波系统,对于光电导天线产生太赫兹波的性能进行测试和验证。
五、预期成果本项目的预期成果包括:1. 理论模型和数值模拟方法。
建立适用于光电导天线太赫兹波产生的理论模型和数值模拟方法,并探究其优化策略。
2. 光电导天线的制备方法和优化设计方案。
研究光电导天线的制备方法和优化设计方案,制备出具有优异性能的光电导天线。
3. 具有优异性能的太赫兹波产生系统。
研究并制备出高效产生太赫兹波的系统,并进行系统测试。
光电导天线产生太赫兹波的研究
d r c i iy f c o s . . The r s t ho t a ho oc nd tve a e a c n be c lul t d wih ie tv t a t r i 1 5 e uls s w h t p t o uc i nt nn a ac a e t d p e a e a t or i ol nt nn he y.Ra i ton r ss a e i nc e s d by i c e sng t lc rc ll ng h,a d d a i e i t nc s i r a e n r a i he e e t ia e t n t we e a r z r d a i n i n r a e s we 1 he po roft r he t a i to s i c e s d a l. Ke y wor ds:o o lc r nis; e a r zwa e r di ton pr pe te ph o on pt e e t o c t r he t v a a i o r is; ot c duc i e a t n tv n e na; FDTD
计 算光 电 导偶极 天 线的 辐射 特性 , 并在 计 算机 上 以伪 彩 色图进行 了 图形 显 示 。 用 电偶 极 子天 线 采
模 型 ,以0 1THz电磁 波 为例 计算 了天 线辐 射 的特性 参数 ,得 到 天 线的 辐射 电阻为 7 0Q,方 向 . 9
光电导天线产生太赫兹电磁波的研究的开题报告
光电导天线产生太赫兹电磁波的研究的开题报告
一、选题背景
太赫兹电磁波在通信、生物医学、安全检测等领域有着广泛的应用前景。
然而,由于太赫兹电磁波波长较短、穿透力较弱,传统的制备技术较为昂贵、复杂。
因此,
寻找一种简便、快捷的太赫兹电磁波产生方法具有重要的研究意义。
本研究选取了光电导天线产生太赫兹电磁波的研究为研究对象,通过对该方法的优化、改进,探索其在太赫兹波段的应用和发展,在太赫兹电磁波的制备技术方面进
行研究和探索。
二、研究意义
太赫兹电磁波在通信、生物医学、安全检测等领域有着重要的应用前景。
而光电导天线产生太赫兹电磁波具有简便、快捷、成本低等优点,对其进行优化、改进,可
以将其产生的太赫兹电磁波在相关领域中发挥更大的应用潜力。
三、研究目的
本研究的目的为探究光电导天线产生太赫兹电磁波的制备技术,优化、改进其在太赫兹波段的应用和发展,为太赫兹电磁波的制备和应用提供新思路和新方法。
四、研究内容和方法
(1)研究光电导天线产生太赫兹电磁波的工作原理和机制。
(2)探究现有光电导天线产生太赫兹电磁波的制备方法,并进行相关实验验证。
(3)通过对现有光电导天线制备技术的优化和改进,提高其产生太赫兹电磁波
的效率和稳定性。
(4)研究光电导天线产生的太赫兹电磁波的性质和应用潜力。
五、预期成果
本研究预期通过对光电导天线产生太赫兹电磁波的研究和探索,提出相应的制备技术优化和改进方案,进一步提高其产生太赫兹电磁波的效率和稳定性。
同时,探究
其产生的太赫兹电磁波的性质和应用潜力,为其在通信、生物医学、安全检测等领域
的应用提供理论和实验基础。
基于FDTD的太赫兹光导天线三维辐射特性计算方法
使得系统达到一个均匀的状态,这种载流子的流动遵循菲克扩散定律。
以电子为例,考虑电子从高浓度区向低浓度区的扩散沿负 x 方向进行。因为电子带负电荷,所以电流方向沿
Key word:terahertz;photoconductive antenna;Finite-Difference Time Domain(FDTD);radiation characteristics
在 太 赫 兹 波 段 ,电 磁 波 在 大 气 层 传 播 时 衰 减 很 快 ,接 收 和 检 测 异 常 困 难 ,因 此 如 何 辐 射 出 大 功 率 的 太 赫 兹 信 号在很长一段时间内一直是太赫兹的研究热点。光导天线利用光电导材料作为瞬态电流源向外产生太赫兹辐射, 能产生周期为几百飞秒的超短太赫兹脉冲,是现阶段产生和探测太赫兹波最常用方法之一[1-6]。但单一太赫兹光 导 天 线 的 辐 射 单 元 辐 射 的 增 益 和 方 向 性 较 差 ,如 何 利 用 太 赫 兹 光 导 天 线 阵 列 产 生 高 增 益 的 辐 射 信 号 成 为 今 后 研 究 的 重 点 ,这 必 然 要 求 对 光 导 天 线 阵 列 单 元 的 辐 射 特 性 有 着 精 确 的 把 握 ,因 而 如 何 对 太 赫 兹 天 线 的 辐 射 特 性 进 行 仿 真 是 急 需 解 决 的 技 术 问 题 。本 文 从 光 导 天 线 的 辐 射 原 理 出 发 ,采 用 时 域 有 限 差 分 方 法 ,计 算 光 导 半 导 体 激 光 脉 冲 高 斯 激 励 时 半 导 体 光 生 载 流 子 的 时 变 输 运 方 程 以 及 半 导 体 载 流 子 浓 度 变 化 效 应 ,利 用 麦 克 斯 韦 方 程 分 析 半 导 体 复 杂 时 变 场 下 ,电 流 密 度 、电 场 、磁 场 的 迭 代 方 程 ,从 而 计 算 得 到 超 快 激 光 脉 冲 激 励 下 太 赫 兹 光 导 天 线 三 维 空 间 辐 射特性。
偶极子光电导天线结构对THz辐射特性影响的研究
3 . 西 南科技 大学 理 学 院 , 四川 绵阳 6 2 1 0 1 0 )
摘 要 : 研 究 了 Ga A s工型偶 极子 光 电导天 线( P C A ) 结构 参数 对 T H z辐射 特性 的影 响。 首先利 用 DL ( Dr u d e . L o r e n t z ) 模 型 得 到 了光 电 导天 线 的 电流 解析 解 , 结合 时域 有 限差 分( F DT D ) 进行 半 解 析 半数 值 仿 真 ,有 效地 解 决 了纯解析 解 ( 通过 光 电流 对 时间 求导数 可以得 到辐 射 的 T Hz的相 对 强度)无 法和 P C A 结构 直接 对应 的仿 真 问题 , 也 较 直接全 波 F D T D 方 法计算 效率 高 。接 着 , 利 用偶 极子 光 电导天 线 的等 效 电路 模 型和 等 效 源 阻抗公 式 , 结合 实际的 P C A 参数 , 分 别得 到 了 P C A 阻抗 和 源 阻抗 , 说明了 由 于源 阻抗很 低 , 导 致 匹配 效率较 低 。 最后 , 综合 考 虑数 值仿 真 结果 和 理论 计 算结 果 可证 明 , 工型偶 极 子 光 电导天 线的辐 射效 率会 随 着其 长宽 比的增加 而相 应 增加 , 该 结论 与相 关文 献 实测结果 吻合 , 从 而也验 证 了文 中 F D T D仿 真 结果 、 理 论模 型及 计 算结 果的 有效性 。
34μm孔径GaAs偶极子光电导天线辐射特性仿真研究
( 1 . S c h o o l o f I n f o r ma t i o n E n g i n e e r i n g , S o u t h w e s t Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ,Mi a n y a n g 6 2 1 0 1 0 ,C h i n a 2 .S c h o o l o f S c i e n c e ,S o u t h w e s t U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , Mi a n y a n g 6 2 1 0 1 0 ,C h i n a )
Ab s t r a c t :S i mu l a n o n c h a r a c t e r i s t i c s o f p h o t o c o n d u c t i v e a n t e n n a ( P eA)r a d i a t i o n re a t h e i mp o r t a n t b a s i s f o r
中 图 分 类 号 :T N2 0 1 文 献 标 志 码 :A 文 章 编 号 :1 0 0 7 — 2 2 7 6 ( 2 0 1 3 ) 0 1 — 0 1 0 8 — 0 5
S i mu l a t i o n o f r a di a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f 3 4 I x m a pe r t u r e Ga As d i p o l e ph 0 t 0 c 0 n d u c t i V e a n t e n n a
光电导天线产生太赫兹波的微观机制理论分析和计算
光电导天线产生太赫兹波的微观机制理论分析和计算研究了光电导天线产生太赫兹波的辐射特性,利用麦克斯韦方程及其边界条件,计算了近远场的电场强度;采用电磁波时域有限差分方法(FDTD),在Matlab系统软件中,用C语言编写程序计算光电导偶极天线的辐射太赫兹波的空间电磁场分布,并在计算机上以伪彩色图形显示,这种电磁场的可视化结果为天线的设计和改进提供了直观的物理依据。
太赫兹波是指波长范围为3m~3mm(011~10THz)之间的电磁辐射,其波段位于微波和红外光之间。
随着超快激光技术和低尺度半导体技术的发展,使THz电磁波的产生技术,THz辐射机理的研究,THz检测技术和应用技术得到迅速的发展。
目前,产生脉冲THz 辐射的方法主要有两种:光电导天线产生THz电磁波和光整流产生THz。
前者是利用飞秒激光脉冲触发直流偏置下的光电导体,通过相干电流驱动偶极天线产生太赫兹辐射;光整流是一种非线性效应,是用飞秒激光脉冲和非线性介质(LiNbO3,LiTaO3,ZnTe等)相互作用产生低频极化场也可以辐射出THz电磁波。
近年来,国内外有不少关于光电导天线产生THz电磁波的文献报道。
Darrow等对光电导天线产生太赫兹波的理论进行了详细的解释,并且对砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)作为光电导天线的基质材料产生太赫兹辐射进行了对比。
Hattori等研究了大孔径光电导天线产生太赫兹波的时间特性,考虑了半导体载流子寿命和弛豫时间对太赫兹辐射的影响。
大孔径光电导天线在强激光脉冲的照射下会产生饱和现象,Darrow等等分别进行了理论模拟,得出了半导体表面的辐射电场对偏置电场的屏蔽效应是产生饱和现象的主要原因。
施卫等对半绝缘砷化镓(GaAs)天线产生太赫兹波的辐射特性进行了相关研究。
在国内外研究的基础上,对光电导天线产生太赫兹波的微观机制进行理论分析和计算,用麦克斯韦方程及其边界条件计算了光电导体的表面电流和近远场的辐射电场,通过计算可以看出近场条件下太赫兹波的辐射强度正比于表面电流,远场条件下太赫兹波的辐射强度正比于触发光脉冲的宽度、功率和偏置电场的强度。
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式 中, A为光 导天线 的有效 辐射面 积, 光导天 线的距离 。
为真
空介 电常数 , e 为真 空中的光速 , z为观察 点到
2 小 孔 径 螺 旋 形 光 电导 天 线 的 T Hz 时域 光 谱 系 统
HU Yi e . NG Hu XI — u . E . HAN i ig — n DE . A Zux e CH N Qi S f 2 G L— n p
S ho l fI f r a i n En i e i g So t we t Uni e s t fSce e a d Te h l g ,M i n n 6 1 1 ,C n ; c o o n o m to g ne rn , u h s v r iy o inc n c no o y a ya g 2 0 0 hi a
2 国工 程 物 理 研 究 院 电子 工 程 研 究所 ,四 川 绵 阳 6 1 0 ) .中 2 9 0
摘 要 : 究 了小孔 径螺旋 型 光 电导天 线 的太赫 兹辐射 特 性 利用 太 赫兹 时域光谱技 研 术 测量 了螺旋 型光 导天 线辐射 的太 赫兹 波谱 ,得 到 了其 时域发 射光谱 。通过 快速傅 里 叶变换得到相 应 的频 域光谱 ,同时对 两种 不 同孔径 螺旋 天线 的太 赫兹辐射特 性进行 了 比较。实验结 果表 明,太 赫兹信 号 强度 会 随偏 置 电压 的增 大而增 强;在 偏置 电压和 泵 浦光功率相 同的情况 下,较小 孔径 的光 导天线 的辐射 功率 较高。 关键词 : 赫兹辐 射;光 电导天线; 时域 光谱技 术;低 温生长砷 化镓 太 中图分类号 :O 3. ;0 3. 文献标识码 :A DO :1. 6/.s. 7— 8 . 1. . 6 41 1 43 3 I 0 99js 1 2 75 01 2 0 3 in 6 8 2 1 0 St udy o r o m a e o r he t a a i n o fPe f r nc fTe a r z R di t o f Sm a la r ur pi a l pe t e S r lPho 0c nduc i e A n e — t o tV t nna
wih e c t e .Th x rm e t 1 e ul s o h t t e i t n i fa THz sg lc r be e h nc d wih t a h o h r e e pe i n a s t h ws t a h n e st o r y i na a l n a e t t ei c e eo isv la e h n r a fb a o t g .F r s me b a o t g nd p m p p we ,t e ph t c nd c i e a t n a wih s o a i s v la e a u o r h o O o u tV n e n t a s a l r a r u e h s a h g rr d a i n p we . m l pe t r a i he a i to o r e
太 赫兹 (H ) T z 辐射一 般是 指频率在 01 l .一 0
电磁 波谱 中处于 红外光 与微波 之 间的区域 。 2 0
世纪 8 年代 中期 以后 ,半导体 技术和超 快激 光 0
技术 的发展 为 T z H 辐射提 供 了稳定、可靠 的激
T z 波长为 3 r 3 i) 间的 电磁波 , H ( 0p n 之 . n m 它在
相 关 报道 。光 电导天 线一般 分 为大 孔径 光 导天
线和小孔径光 导天 线两大类 。 中,小孔径天 线 其
,一
一
4 r :e c
一
dt
具有有效谱宽较 宽, 可长 时间稳定工 作, 工作 电 压较低 以及安全性 高等优点 , 但是其最大缺 点是 辐射信号强 度较弱。因此 , 究如何提高小孔 径 研 天 线 的辐射效 率具 有 十分 重要 的意 义 。而 小 孔 径螺旋天 线具有宽频辐射 , 性能稳 定, 发射功 率 较大和方 向性较好等特 点 [ 4 。19 年 ,P s l 。 ] 90 1 ao t 等 人 [ 对 对数螺旋天 线的 时域 瞬 态辐 射特性 进 ]
由一个 四分 之一波 片 、一个 渥拉 斯顿 棱镜 和 一 天 线时 ,天 线 半导体来自材 料 内的光 激发 载流 子会
在偏 置 电场 的作 用下 作加 速运 动 ,产生 瞬变 光
电流 ,其表达 式为
h p / u asp c n h t : j r 1i . . /w t /o n . ac t
IFA E M N HY/ O . , o1,D C 01 N RR D(O T L)V L 2 N . 3 2 E 1 2
射 的产 生及其 应 用 的蓬勃 发展 。人 们 已经提 出
了很 多种 用于 产生和探 测 T z H 辐射 的方法 ,并
场 辐射场 强 E ( 的表 达式为 t )
…
“
通 过具 体实验 对 其进 行 了验证 。 目前应 用 较为
广泛 的方法是 利用 飞秒 脉 冲泵浦 加偏置 电压 的 光 电导天线 产生 T z H 辐射 … 。近年来 ,国 内外
已经有很 多关 于光 电导天 线作为 T z H 辐射源 的
焦到光导天 线 (C ) P A 上产 生 T z H 辐射 , T z H 辐
从而辐射 出 T z [ 。假设 天线两端 所加 的静 H 波
态偏 置 电场为 ,当没有激 光照射 时,光导天 线 处于高 阻截 止状 态 ;当用 超快 激光 脉 冲照射
射 由两个镀 金离轴 抛物面镜 (M1 P ) P 、 M2 准直 聚焦到 Z T (l) n e10 晶体 上;另一束作为探 测光通 过反 射镜 M7M8、透 镜 L 和偏 振 片 P并 由硅 / 2 片 (i f ) S Wa r 反射 到 Z T 晶体 的同一位 置上, e ne 携 带 T z 息 的探 测光经过 反射镜 M9 H 信 和透 镜 L 3 后聚焦到 自动平衡检测仪 (B 10 上。A L 0 A L 0) B 10
在远 场条 件 下,电流脉 冲 的 T z H 辐射 强度 也与 瞬变 电流 的微分 具有 相 同的形式 。假设 T z H 光 源 各处 的偏 置 电场 和载 流子是 等值 的,探 测方 向为光 电导 天线 的法 线 方 向,测量 点 与光 电导 天 线 的距离 远大 于波 源 的尺寸 ,则 可得 到 其远
频 域特 性进 行 了分 析 。我 们主要 研 究偏 置 电压
对 螺旋 形 小孔径天 线 的辐射 效率 的影 响和 两种
不 同孔径天 线的辐射 特性 的 比较情 况。
1 光 电导天 线辐 射 T 脉 冲 的机 理 Hz
光 电导天 线辐射 T z 冲 的机理是 ,飞秒 H 脉 激光 脉 冲照射 半导体 材 料 的光 电导天 线 ,产 生
K ey wo ds THz r d a i n; h t c n u tv n e n ; i e d m a n s e t o c p ;L Ga r : a i to p o o o d c i e a t n a tm — o i p c r s o y T— As
0 引 言
r dit o h r c e it c ft p r lp o o o du t V n e na t i e e t a r u e r o p r d a a i n c a a t rs i s o wo s ia h t c n c i e a t n s wih d f r n pe t r s a e c m a e
o pia h t c n u t v n e a t i e d m a n e iso p c r r b a n d Th n,t e c r e fa s r l p o o o d c i e a t nn ,is tm — o i m sin s e ta a e o t i e . e h o r— s o d ng ̄e u n y d m a n s e t a a e o t i e i a t F ure r n f r .At t e s me t me h p n i q e c o i p c r r b an d va f o irta so m s h a i j e THz t
实验 所使 用 的两个 d T 径 螺旋 形光 电导天 ,L
线的衬底均为低 温生长的砷化镓材料 , 电极 间 其 距分别 为 1 m和 3 m。 4 4 实验 中搭建 的 T z H 时 域光谱系统 使用的光源 为 中心波长 为 80 m 、 0 n 脉 宽 为 3 0f s、重 复频 率 为 7 z、平 均 输 出 5MH
收 稿 日期 : 011 4 21 02 — 基 金 项 目:中国工 程 物 理研 究 院 重 点项 目资 助
发 光 源和较 为简 便 的探测方 法 ,促 进 了 T z H 辐
作者简介: 宜芬 ( 8一 ,女,河南信阳人,硕士研究生,主要从事太 赫兹时域光谱技术研究。 胡 1 7) 9
E— a l ha c ng 1 1 3.O t m i:s ng he 05 0 ̄ 6 C rl
文 章 编 号 : 17—752 1)2 070 6288 ( 11— 2—4 0 0
小 孔 径 螺 旋 型 光 电导 天 线 的 太 赫 兹 辐 射 特 性 研 究
胡 宜芬 邓 琥 夏祖 学 陈 琦 尚丽平
(. 1 西南科技大学信息工程学院 ,四川 绵阳 6 11 200;
的瞬 间载 流子 在偏 置 电压 的作 用 下加速 运动 ,
功率为 30 W 的钛宝石 自锁模飞秒 激光器 。图 2 m
1 示为该 系统 的光路 图。其 中,飞秒 激光 (s 所 F