激光光斑面積不同小孔徑天線的輻射特性

激光光斑面積不同小孔徑天線的輻射特性

1電導(dǎo)天線輻射ths波的理論thz波通常是指波長(zhǎng)范圍為30.30m的波，屬于微波和紅色外光之間的遙遠(yuǎn)段。在20世紀(jì)80年代中期以前由于缺乏有效的產(chǎn)生和探測(cè)方法,人們對(duì)該波段電磁輻射性質(zhì)的了解非常有限。隨著超快激光技術(shù)的不斷進(jìn)步,使太赫茲輻射的產(chǎn)生和探測(cè)技術(shù)以及輻射機(jī)理的研究得到了飛速的發(fā)展。已經(jīng)提出了很多產(chǎn)生THz波的方法,其中比較廣泛的方法是利用飛秒脈沖激光激發(fā)外加電場(chǎng)偏置的光電導(dǎo)天線。使用光電導(dǎo)天線為THz源時(shí)有兩種常用的光電導(dǎo)天線,一種是小孔徑天線(天線兩電極之間的間距和THz波長(zhǎng)相比較小),另一種是大孔徑天線(天線兩電極之間的間距和THz波長(zhǎng)相比較大)。這兩種天線有各自的優(yōu)點(diǎn),比如:大孔徑天線信號(hào)強(qiáng)度較高,但是發(fā)熱量較大,長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn)定工作較困難;而小孔徑天線信號(hào)強(qiáng)度較低,但是發(fā)熱量較小,能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作,所以探索如何提高小孔徑天線發(fā)射的THz波的強(qiáng)度很有意義。本文主要研究如何提高小孔徑光電導(dǎo)天線的發(fā)射效率,對(duì)光電導(dǎo)天線輻射THz波的理論進(jìn)行了研究;介紹了所使用的兩種小孔徑光電導(dǎo)天線,并對(duì)本文實(shí)驗(yàn)所使用的基于小孔徑光電導(dǎo)天線的太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)做了介紹;對(duì)這兩種小孔徑光電導(dǎo)天線在不同的條件下各自的輻射特性做了比較細(xì)致的研究;在相同的條件下對(duì)比了這兩種天線的THz信號(hào),并總結(jié)了提高小孔徑光電導(dǎo)天線發(fā)射效率的方法。2半導(dǎo)體表面電導(dǎo)率和太赫電場(chǎng)用光電導(dǎo)天線產(chǎn)生THz波的機(jī)理是:當(dāng)沒(méi)有飛秒激光脈沖照射時(shí),光電導(dǎo)天線處于高阻截止?fàn)顟B(tài);當(dāng)有飛秒激光脈沖照射光電導(dǎo)天線時(shí),光電導(dǎo)天線的半導(dǎo)體材料被飛秒激光脈沖激發(fā)可以產(chǎn)生光生載流子,同時(shí)在天線兩電極之間加有偏置電壓Eb,光生載流子在偏置電壓的作用下開始加速運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生瞬態(tài)電流Js,載流子的加速運(yùn)動(dòng)將發(fā)射出太赫茲電磁波。當(dāng)輻射的太赫茲電磁場(chǎng)達(dá)到最大值時(shí),半導(dǎo)體表面電導(dǎo)率和太赫茲電場(chǎng)可以表示為σmax=e(1?R)μtrFopthˉω,(1)Et,max=?Ebσmaxη0σmaxη0+(1+ε√),(2)σmax=e(1-R)μtrFopthˉω,(1)Et,max=-Ebσmaxη0σmaxη0+(1+ε),(2)其中Fopt為抽運(yùn)光單脈沖能量,μtr為產(chǎn)生的太赫茲脈沖達(dá)到最大值時(shí)的瞬態(tài)載流子遷移率,ε為半導(dǎo)體的介電常數(shù);η0為自由空間的阻抗。(2)式等號(hào)左右同時(shí)除以η0/(1+ε√)η0/(1+ε),可以得到太赫茲波輻射電場(chǎng)達(dá)到最大值時(shí)的瞬態(tài)電流密度Js,max=σmaxEb1+σmaxη0/(1+ε√).(3)Js,max=σmaxEb1+σmaxη0/(1+ε).(3)可以看出,當(dāng)σmaxη0/(1+ε√)≥1σmaxη0/(1+ε)≥1時(shí),輻射的太赫茲場(chǎng)達(dá)到飽和,通過(guò)觀察(1)~(3)式,可以發(fā)現(xiàn),1)當(dāng)增大光電導(dǎo)天線兩極間的偏置電場(chǎng)Eb時(shí),光電導(dǎo)天線輻射出的太赫茲場(chǎng)會(huì)隨之線性增大。2)當(dāng)增大照射在光電導(dǎo)天線上激發(fā)脈沖的能量密度時(shí),輻射出的太赫茲場(chǎng)會(huì)隨之增大并逐漸趨于飽和。所以提高偏置電壓、增大入射飛秒激光的光強(qiáng)或者減小入射飛秒激光的光斑直徑都可以增大光電導(dǎo)天線的發(fā)射效率。3基于小直徑光源的電導(dǎo)率，太爺波被發(fā)射到光譜系統(tǒng)3.1urce的生長(zhǎng)和電子束蒸鍍使用的兩個(gè)小孔徑光電導(dǎo)天線是在中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所制作完成的,兩個(gè)光電導(dǎo)天線所使用的襯底材料都是從一塊直徑7.62cm的低溫砷化鎵晶體上切割下來(lái)的。此塊低溫砷化鎵晶體是在EPIGENⅡsolid-sourceMBE系統(tǒng)上生長(zhǎng)的,如圖1所示。樣品在生長(zhǎng)過(guò)程中通過(guò)高能電子衍射(RHEED)監(jiān)測(cè),整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程均保持二維層狀生長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)600℃的退火之后,采用范德堡方法測(cè)量了材料的電學(xué)特性,通過(guò)霍爾測(cè)量結(jié)果顯示其電阻率為3.86×105Ω·cm,載流子濃度為3.12×109cm-3,載流子遷移率為5035cm2/(V·s)。在制備好的低溫砷化鎵樣品上,利用光刻和電子束蒸鍍的方法在其表面上制作了兩個(gè)電極間距都為100μm的小孔徑光電導(dǎo)天線。它們的區(qū)別是:天線形狀不同。一個(gè)是蝴蝶形天線如圖2(a)所示,另一個(gè)是雙極形天線如圖2(b)所示。將蝴蝶形小孔徑光電導(dǎo)天線編為L(zhǎng)T-1號(hào)天線,將雙極形小孔徑光電導(dǎo)天線編為L(zhǎng)T-2號(hào)天線。3.2太赫波探測(cè)系統(tǒng)的基本原理在制作光電導(dǎo)天線的同時(shí),搭建了一套測(cè)量光電導(dǎo)天線輻射太赫茲波的時(shí)域光譜系統(tǒng),這套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括:飛秒激光器(脈寬為100fs,重復(fù)頻率為82MHz,中心波長(zhǎng)為800nm,平均輸出功率為1W)、時(shí)間延遲系統(tǒng)、天線位置控制系統(tǒng)(三維平移臺(tái)及其控制器,精度為1μm)、光電導(dǎo)天線系統(tǒng)(高頻電壓放大器和天線支架)以及THz探測(cè)系統(tǒng)(ZnTe晶體電光取樣和鎖相探測(cè)),如圖3所示。由圖3可知,偏振分束鏡把飛秒激光脈沖分為兩束,一束作為探測(cè)脈沖(經(jīng)分束鏡透射的部分)用凸透鏡聚焦到一塊1mm厚的探測(cè)晶體ZnTe上,通過(guò)電光取樣來(lái)探測(cè)太赫茲波;另一束作為抽運(yùn)脈沖(經(jīng)分束鏡反射的部分)通過(guò)時(shí)間延遲系統(tǒng)照射到光電導(dǎo)天線上產(chǎn)生太赫茲波,太赫茲波經(jīng)過(guò)兩個(gè)鍍金離軸拋物面鏡聚焦到探測(cè)晶體ZnTe上,并且與探測(cè)光聚焦位置相同。鎖相放大器輸出一個(gè)頻率為7000Hz的正弦交流電壓信號(hào),經(jīng)過(guò)電壓放大器作為偏置電壓加載到光電導(dǎo)天線的兩極上。這個(gè)交流電壓信號(hào)可以代替斬波器調(diào)制太赫茲波,在鎖相放大器采集處理信號(hào)時(shí)作為參考信號(hào)進(jìn)行鎖相探測(cè)。4外來(lái)光功率對(duì)發(fā)射效率的影響由理論分析發(fā)現(xiàn)偏置電壓、入射飛秒激光的光斑直徑和光功率這些外加條件都會(huì)對(duì)光電導(dǎo)天線的發(fā)射效率產(chǎn)生影響。下面分別改變LT-2號(hào)雙極形小孔徑光電導(dǎo)天線的外加條件,研究這些外加條件對(duì)其發(fā)射效率的影響。4.1太赫波與偏置電壓的關(guān)系固定照射到光電導(dǎo)天線上的飛秒激光的功率(600mW)和光斑直徑(1mm),之后改變偏置電壓,對(duì)比產(chǎn)生的THz信號(hào)如圖4所示。從圖4中可以看出,太赫茲波強(qiáng)度與偏置電壓基本成正比,可以解釋為,半導(dǎo)體內(nèi)的光生載流子加速運(yùn)動(dòng)受外加電場(chǎng)的影響,外加電場(chǎng)越大,加速運(yùn)動(dòng)越劇烈,因而所輻射出的太赫茲電磁波的強(qiáng)度越大。如果繼續(xù)提高偏置電壓,原則上可以得到更強(qiáng)的太赫茲波信號(hào)并進(jìn)一步驗(yàn)證太赫茲信號(hào)與偏置電壓的線性關(guān)系。但是偏置電壓增大到較大值時(shí)會(huì)導(dǎo)致光電導(dǎo)天線被擊穿,所以沒(méi)有進(jìn)一步加大電壓。4.2天線輻射變通信號(hào)固定照射到光電導(dǎo)天線上的飛秒激光的光斑直徑(1mm)和天線兩電極之間的偏置電壓(50V),之后改變飛秒激光的功率,對(duì)比產(chǎn)生的THz信號(hào)如圖5所示。從圖5可以看出,增加入射抽運(yùn)激光功率可以增大天線輻射出的THz信號(hào)強(qiáng)度,但是在實(shí)驗(yàn)中抽運(yùn)光功率大于600mW的地方出現(xiàn)了飽和現(xiàn)象。這種飽和現(xiàn)象是由于空間電荷屏蔽效應(yīng)產(chǎn)生的,當(dāng)電子和空穴在偏置電壓下向兩個(gè)相反的方向漂移運(yùn)動(dòng),由于空間電荷的電場(chǎng)和偏置電場(chǎng)是反向的,所以會(huì)屏蔽掉偏置電場(chǎng),從而使THz信號(hào)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。由于本系統(tǒng)的激光器最大輸出光功率的限制,抽運(yùn)光功率無(wú)法再繼續(xù)加大。4.3光斑直徑對(duì)太赫波噪聲的影響固定照射到光電導(dǎo)天線上的飛秒激光的功率(200mW)和天線兩電極之間的偏置電壓(30V),之后改變光斑直徑,第一次光斑直徑為1mm,第二次光斑直徑為400μm,對(duì)比這兩次產(chǎn)生的THz信號(hào)如圖6所示。從圖6可以看出,減小入射飛秒激光的光斑直徑可以有效地增加光電導(dǎo)天線的發(fā)射強(qiáng)度。通過(guò)減小光斑直徑THz信號(hào)提高到原先的1.5倍以上。圖6中小圖表示的是兩種不同光斑直徑下產(chǎn)生太赫茲波的噪聲對(duì)比,可以看到兩者的噪聲水平基本相當(dāng),所以減小光斑直徑還可以有效地提高光路的信噪比。在LT-1號(hào)蝴蝶形小孔徑光電導(dǎo)天線上也進(jìn)行了以上的3組實(shí)驗(yàn)并且得到了近似的結(jié)果。所以通過(guò)上面的實(shí)驗(yàn)可以看到增加入射飛秒激光強(qiáng)度、增加偏置電壓或者減小入射光的光斑直徑都可以提高小孔徑光電導(dǎo)天線的發(fā)射效率。5時(shí)域譜與頻域譜在相同的外加條件下對(duì)兩種小孔徑光電導(dǎo)天線發(fā)射的THz信號(hào)進(jìn)行對(duì)比,研究天線形狀對(duì)天線發(fā)射效率的影響。固定照射到光電導(dǎo)天線上的飛秒激光的功率(200mW)與光斑直徑(400μm),之后在兩個(gè)天線兩電極之間都加上30V的偏置電壓,得到了它們發(fā)射的時(shí)域譜與頻域譜,如圖7所示。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以明顯地看到,在相同的條件下小孔徑蝴蝶形光電導(dǎo)天線所發(fā)射的THz信號(hào)強(qiáng)度高于小孔徑雙極形光電導(dǎo)天線。并且小孔徑蝴蝶形光電導(dǎo)天線所發(fā)射的THz信號(hào)頻域譜的半峰全寬明顯較寬。所以通過(guò)改變天線形狀也可以提高小孔徑光電導(dǎo)天線的發(fā)射效率。6天線的發(fā)射效率幾組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明,增大天線兩極間的電壓、提高入射飛秒激光的光功率和減小光斑直徑,以及改變天線的形狀都可以提高小孔徑光