太赫兹波及其常用源

资源类型:pdf 资源大小:1.18MB 文档分类:数理科学和化学 上传者:杨仁伟

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【作者】 杨鹏飞  姚建铨  邴丕彬  邸志刚 

【关键词】太赫兹  差频 整流 半导体表面辐射 

【出版日期】2011-02-20

【摘要】介绍了太赫兹波的特性及其应用,从宽带、窄带两个方面归类,详细介绍了现阶段常用的几种太赫兹源,并列出了相关重要参数的计算。随着源技术的不断进步,太赫兹电磁波也将象光学和微波波段的电磁波一样,给人类社会的许多方面带来深远的影响。

【刊名】激光与红外

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1引言太赫兹波(THz波)或称为太赫兹射线(THz射线)是从20世纪80年代中后期,才被正式命名的,在此以前科学家们将统称为远红外射线。太赫兹波是指频率在0.1~10 THz范围的电磁波,波长大概在0.03~3 mm范围,介于微波与红外之间。实际上,早在一百年前,就有科学工作者涉及过这一波段。在1896年和1897年,Rubens和N ichols就涉及到这一波段,红外光谱到达9μm(0.009 mm)和20μm(0.02 mm),之后又有到达50μm的记载。之后的近百年时间,远红外技术取得了许多成果,并且已经产业化。但是涉及太赫兹波段的研究结果和数据非常少,主要是受到有效太赫兹产生源和灵敏探测器的限制,因此这一波段也被称为太赫兹间隙。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,太赫兹技术得以迅速发展,并在实际范围内掀起一股太赫兹研究热潮。2太赫兹辐射的主要特征太赫兹位于亚毫米波与远红外线之间,同时具有微波辐射与光波辐射的特性,与其他波段的电磁波相比,太赫兹电磁波具有如下特点:(1)波长处于微波及红外光之间,因此在应用方面相对于其他波段的电磁波,如微波和C射线等,具有非常强的互补特征。(2)具有很高的时间和空间相干性。太赫兹辐射是由相干电流驱动的偶极子振荡产生、或是由相干的激光脉冲通过非线性光学差频产生的,具有很高的时间和空间相干性。现有的太赫兹检测技术可以直接测量振荡电磁场的振幅和位相。这一特点在研究材料的瞬态相干动力学问题时具有极大的优势。(3)光子能量低。频率为1 THz的电磁波的光子能量只有大约10-3eV,约为X射线光子能量的1/106,不会对生物组织产生有害的电离,适合于对生物组织进行活体检查。(4)穿透能力强。太赫兹可以在低损的情况下穿透墙壁、陶瓷、碳板、布料、塑料等物,这一特性制作的成像及探测感应系统,在国防安全中将发挥重要作用。(5)通信传输容量大,域频谱信噪比高,太赫兹波的频段在108~1013Hz之间,比微波通信高出1~4个数量级,可提供高达10 GB/s的无线传输速率,比当前的超宽带技术快几百甚至上千倍[1-3];太赫兹时域光谱(THz-TDS)的信噪比可以达到104,而传统的傅里叶变换红外光谱(FTIR)的信噪比只有300左右,为下一代物联网通信的理想波段选择[4]。(6)有机DNA特性。许多有机分子的吸收谱线及色散特性都处在这一区域,这是由于分子旋转和震动的跃迁造成的。这是一类特殊的标定性谱线,各物质的太赫兹光谱(包括发射、反射和透射)包含其丰富的物理和化学信息,并使得太赫兹波有类似指纹一样唯一性的特点[5-8]。(7)高分辨率。与微波相比太赫兹波束更窄,方向性好,能够实现比微波和毫米波更高的分辨率、精确的定位和成像,在对军事目标进行侦察、识别及精确制导方面具有重大意义。3宽带太赫兹源3.1半导体表面辐射太赫兹对于大多数半导体,裸露面由于存在表面态的作用,在裸露的表面能级会发生弯曲,称为表面能级弯曲,由此会在半导体/空气界面会产生一个耗尽区以及一个较强的内建电场Eb,垂直于半导体/空气界面。当用一个光子能量大于半导体禁宽度的超短光脉冲照射半导体的表面,注入的光生载流子在表面会被复合,并被内建电场加速,形成一个超短瞬时电流,并向自由空间辐射的电磁波,频谱范围落在了太赫兹范围,原理图如图1所示。图1半导体表面态产生太赫兹波激发出的太赫兹场可表示为:ETHz(t)=ZsJs(t)sinrθ/(cosrθ+ncostθ)=eZs[sinrθ/cosrθ+nscostθ]∫∞0n(x,t)ν(Eb(x,t))dx(1)式中,Zs为半导体材料的特性阻抗;ns为折射率;n(x,t)为光生载流子浓度;ν为光生载流子的漂移速率。从上式可以看出,出射的太赫兹波可以通过辐射激发光脉冲入射角的改变而进行调整。半导体表面场产生的太赫兹波其转化效率较高,不需要构造天线,不需要外加偏置电场,室温下可以产生出最高3.5 nW的太赫兹波,且不会引起辐射损伤[9]。表面场辐射的太赫兹波还可以用来探测半导体表面,对研究半导体表面载流子的超快动力学运输现象很有价值。3.2光电导效应太赫兹辐射源超快光电导器件在过去的十几年主要用以产生周期在几百飞秒的超短电磁脉冲。现在,由于其频谱刚好落在太赫兹范围内,超快光电导器件被同时用来产生与探测太赫兹波,这种方法也是现阶段产生太赫兹波的常用方法之一。在利用光电导天线产生太赫兹脉冲时,先在两电极之间施加偏置电压,由于基片的半绝缘性质,在两个电极之间形成了一个电容器结构,并存贮了静电势。如果,这时有光子能量高于半导体能隙的光脉冲辐照在电极的间隙中,将会在该区域半导体白面产生瞬生的自由载流子。这些载流子会在偏置电场中加速运动,并将储存的静电势能以电磁脉冲的形式释放出来[10-11]。在半导体基片的选材上,要求材料具有半绝缘的特性,其在电子领域的性质与应用在文献[12]中有详细论述。目前为止,使用最多的是低温生长的砷化镓(LT-GaAs)。光电导元件在整个过程中充当了瞬变电流源的角色,通过天线向自由空间辐射出超短波电磁波。探测器部分具有和发射器相同的结构,但是没有施加偏置电压。通过光电导产生太赫兹波的装置结构简图如图2所示。图2光电导发射器结构简图光电导天线中载流子的平均寿命可以近似为载流子捕获时间,因为带隙中心对光生载流子的捕获时间远远的小于电子和空穴的复合时间[13]。这时载流子浓度随时间的变化可以表示为:dn/dt=-n/tτ+G(t)(2)式中,n为载流子浓度;G(t)=n0exp(t/Δt)2为与照射激光有关的产生率;n0为没有辐照时的载流子浓度。对于LT-GaAs,通过调整加工过程中的退火温度影响材料中砷杂的浓度,可将载流子寿命控制在0.1~5 ps之中的一个设定值上[12]。产生的载流子在偏执加速电场的作用下,做加速运动:de,νh/dt=-e,νh/rτel+(qe,hE)/mef,f e,h(3)式中,e,νh为载流子的平均速度;qe,h为电子与空穴的电量;rτel为动量驰豫时间;E为局部电压,由于空间电荷的屏蔽作用,E比偏置电压Eb小很多,且:E=Eb-p/3εr(4)式中,εr为介电常数;P为极化系数,有:dP/dt=-P/rτec+J(5)式中,rτec为电子空穴的复合时间;J=enhν+(-e)neν为电流密度。远场辐射表示为:ETHz∝J∝eνn/t+enν/t(6)ν=eν-hν。由公式(6)可以看出,产生的瞬变电磁场ETHz有两个部分组成:前一部分描述的是载流子的密度效应,而第二部分描述的是由外加偏置电压所引起的电荷加速过程。根据公式(2)~(6)进行的详细的仿真见参考文献[13]。由以上讨论总结如下:(1)ETHz与载流子的有效质量成反比。在LT-GaAs中,由于空穴的有效质量约为电子有效质量的5倍,所以,空穴对太赫兹波产生的影响远不如电子的影响大。(2)产生的太赫兹波主要受影响于载流子浓度的变化νn/t。(3)当泵浦激光的脉宽变宽时,产生的太赫兹波的脉宽也同时变大。除了LT-GaAs,还有很多半导体材料可供选择,选择时必须考虑以下因素:①载流子寿命短;②载流子迁移率高;③材料的暗态电阻率大。同时,光电导偶极发射天线的偏置电压对辐射的太赫兹也存在明显的影响,偏压越大,发射的太赫兹波也越强烈。从激光入射到产生太赫兹的时间延迟通常小于1 ps,具体的时间延迟与所用的半导体光生载流子寿命有很大关系。由此方法产生的太赫兹波功率较大,但频率较低。3.3光整流产生太赫兹光整流效应是一种非线性效应,是电光效应的逆过程,两个光束在非线性介质(LiNbO3,LaTiO3,闪锌矿半导体,有机晶体)传播时会发生混合,从而产生和频振荡和差频振荡现象。在出射光中,除了和入射光相同的频率的光波外还有新的频率(例如和频)的光波。而且当一束高强度的单色激光在非线性介质中传播时,它会在介质内部通过差频振荡效应激发一个恒定(不随时间变化)的电极化场。恒定的电极化场不辐射电磁波,但在介质内部建立一个直流电场。根据傅里叶变换理论,一个脉冲光束可以分解成一系列单色光束的叠加,其频率决定于该脉冲的中心频率和脉冲宽度。在非线性介质中,这些单色分量不再独立传播,它们之间将发生混合。和频振荡效应产生频率接近于二次谐波的光波,而差频振荡效应则产生一个低频电极化场,这种低频电极化场可以辐射直到太赫兹的低频电磁波[14]。光整流效应利用了非线性介质(电光晶体)的二次非线性电极化效应,不需要外加直流偏置电场,所以辐射器的形式较为单一,可以用整块电光晶体作为辐射器。当激光脉冲(脉冲宽度在亚皮妙量级)和非线性介质(如ZnTe)相互作用而产生低频电极化场,此电极化场辐射出太赫兹电磁波。其实验结构图如图3所示。图3光整流产生太赫兹波辐射出的电磁波可表示为:E(t)∝2P(0,t)t2=(χ2)2I(t)t2(7)式中,P表示电极化强度;(χ2)表示二阶非线性极化率。需要满足相位匹配条件为:Δk=k(ωopt+ωTHz)-k(ωTHz)=0(8)不计色散,相干长度为:lc=πc/(ωTHznopt-nTHz)(9)式中,nopt和nTHz分别为光波在作用介质中的折射率。精确的相位匹配可以使非线性材料内光波与太赫兹脉冲的相互作用达到最大最优,提高太赫兹的转换效率。4窄带太赫兹辐射源窄频带太赫兹发射源在高分辨率光谱,卫星通信等领域有很大的应用潜力。目前的研究主要集中在两个方面:①电学方向,就是将电子学的方向向高频延伸,这类方法的特点是效率高,可以产生大功率甚至超大功率的太赫兹波,但是频率较低(1 THz以下);②光学方向,即将光学特别是激光技术向低频延伸,这类方法可以产生相干性较好的太赫兹波,但是输出功率较小,适合产生1THz以上频率的太赫兹波。4.1差频产生太赫兹辐射光学差频过程是三波相互作用的参量过程。频率分别为ω1和ω2的泵浦光在非线性晶体内相互作用,产生的参量光的频率是这两束泵浦光频率之差ω1-ω2。如果一束泵浦光的频率固定,而另外一束泵浦光的频率可调谐,就可以产生可调谐的红外辐射。图4是光学差频产生过程中三波相互作用框图和能级图。从图4可以看出,每消耗一个ω1光子产生一个ω3光子,必然同时产生一个ω2光子,这三个频率必须满足能量守恒关系ω3=ω1-ω2。在差频过程中,频率较高ω1光被消耗,频率较低的ω2光将会被放大。图4光学差频中三波作用及能级结构图从Maxwell方程推导出差频产生太赫兹辐射的耦合波方程:2E3(z,t)z2+1c2∫+∞-∞dt′ε(t-t′)2t12E3(z,t′)=-0μα2P(2)3(z,t)t2(10)式中,E3(z,t)和P(32)分别是差频场的电场和二阶非线性极化率。作傅里叶变换得:d2E3(z,Ω)dz2+ω2c2ε(Ω)E3(z,Ω)=-ω2c2P(2)3(z,Ω)(11)式中,P3(2)(z,Ω)是差频场的二阶非线性极化率。考虑差频场的吸收,方程(11)在慢变近似情况下简化为:dE3(z,Ω)dz+α32E3(z,Ω)=2 iΩcn3deffE1(z,ω1)E*2(z,ω2)ei/kz(12)式中,α3是差频场在非线性晶体中的吸收系数;deff为有效倍频系数;E1(z,ω1)和E2(z,ω2)是泵浦光场的振幅。求解式(12)的边值问题,并考虑到泵浦场和差频场分别在非线性晶体前后表面的Fresnel损失,差频产生的太赫兹辐射的辐射功率密度为:I3(Ω)=8Ω2deffL2n1n2I1(ω1)I2(ω2)T1(ω1)T2(ω2)·T3(Ω)1-e-Δ2αL2+4e-Δ2αLsin2ΔkL2ΔαL22+(ΔkL)2(13)式中,Ii(ωi)是泵浦场的光强;L为非线性晶体的厚度;Ti是Fresnel透射系数。4.2倍增电路太赫兹辐射源纯电子器件设备中,在1 THz以下的带宽范围里,共振隧穿二极管能在约700 GHz振荡,其他微波毫米波有源器件,如耿氏振荡器或雪崩二极管,其最高振荡频率在400~500 GHz[15]理论表明,一个单极

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