1、,太赫茲電磁波的產(chǎn)生和檢測,研究生系列講座,提 綱,太赫茲技術和應用,提 綱,太赫茲技術和應用,in different units: 1 THz 1 ps 300 mm 4.1 meV 47.6 oK,THz波在電磁波譜中的位置,THz電磁波的特點,透視性：很多介電材料和非極性液體對太赫茲波是透明的。 應用：不透明物體透視成像，在濃煙和沙塵環(huán)境中成像。 (2)低能性：THz光子的能量只有毫電子伏特，低于各種化學鍵的鍵能，不會對生物組織產(chǎn)生有害的電離。 應用：旅客安檢，生物組織活體檢測。 (3)光譜分辨本領：大量的分子，尤其是有機分子，其轉(zhuǎn)動和振動的躍遷在THz頻段表現(xiàn)出強烈的吸收和色散特性，

2、從而在THz頻譜中表現(xiàn)出特有的吸收峰。 應用：毒品、爆炸物檢測。,THz電磁波的應用鑒定物質(zhì),12種化學樣品、生物樣品和爆炸物的THz譜,THz電磁波的應用無損檢測,內(nèi)部設置30個缺陷的航空絕熱泡沫照片,0.2 THz連續(xù)波太赫茲圖像,THz電磁波的應用疾病診斷,乳腺組織的切片照片,方框部位的放大照片及其THz像,THz電磁波的應用安全檢測,某人的光學照片和利用0.094 THz波對人體透視圖像,制約太赫茲波應用的因素,1. 太赫茲電磁波本身的特性,2.技術手段的限制 研制功率高、信噪比大、穩(wěn)定性好的太赫茲源以及信噪比高、靈敏度好的太赫茲探測器是推動太赫茲技術發(fā)展的關鍵。,THz 源的種類,非

3、相干的熱輻射源 (熱源) 電子學的高頻微波輻射源 THz激光器 基于非線性的光學發(fā)射源 光電子輻射源,相干THz源的發(fā)展歷史,超快光電子學,光學,電子學,電子學方法返波振蕩器 (BackWard Wave Oscillator),電磁波的頻率由其減速系統(tǒng)的周期和電子速度決定,平均功率：幾百W-100 mW， 頻率 1.5 THz,返波振蕩器（Backward Wave Oscillator）,電子學耿氏振蕩器 （Gunn Diode）,VDI Control and Bias Box,RF Input (17-18 dBm, 10.62-11.32 GHz),Amp Spacek A445-4

4、X,Doubler (D90),Doubler (D200),耿氏振蕩器 （Gunn Diode）,平均功率：W- mW， 頻率 2 THz,不同頻段的輸出功率,光學氣體激光器（Gas Laser）,SIFIR-50 FPLFar-Infrared Laser System,平均功率：mW-W， 頻率: 0.9-7 THz,光學量子級聯(lián)激光器（QCL）,光電子學半導體表面場,Ec,Fermi level,Ev,Surface states,Air,Semiconductor,正入射時沒有THz輻射; 布儒斯特角(qB) 時輻射最強, GaAs輻射THz強度與角度的關,qB,qB,光電子學光致丹

5、倍效應 (photo-Dember Effect ),光生載流子向材料的內(nèi)部擴散。電子和空穴的遷移率的不同產(chǎn)生光致丹倍場。該瞬態(tài)場向外輻射THz電磁波。,air,InAs,Depth,Carrier concentration,Hole,Electron,light,THz wave,InAs wafer,THz,Tani, Sarukura, Johnston, Krotkus, Liu, etc,光電子學光致丹倍效應 (photo-Dember Effect ),p-type InAs wafer (1016/cm3) 是最好的非偏置THz發(fā)射器。,發(fā)射強度比最好的GaAs強1600 ti

6、mes. p- InAs的THz發(fā)射強度要比 n-InAs強幾倍.,EO crystal,Input laser pulse I(t, w, Dw),THz pulse ETHz(t, W),P(t),c(2),Dt, Dw,光整流效應 (Optical Rectification),光電子學光電導天線,偶極天線發(fā)射THz波原理,影響天線發(fā)射功率的因素光電導體,性能良好的光電導體應該具有盡可能短的載流子壽命、高的載流子遷移率和介質(zhì)耐擊穿強度。,離子注入GaAs： 一些離子注入半導體材料（GaAs:As，GaAs:H，GaAs:N，GaAs:O）可能成為低溫LT-GaAs的替代產(chǎn)品。,LT-Ga

7、As 暗態(tài)電阻（107 cm） 載流子遷移率（100-300 m2/Vs） 載流子壽命（0.25 ps ） 擊穿強度（ 500 kV/cm） 然而LT-GaAs的制備工藝的重復性不好，因為LT-GaAs的性質(zhì)對制備溫度和退火溫度依賴很強。,影響天線發(fā)射功率的因素天線結構,天線結構通常有赫茲偶極天線、共振偶極天線、錐形天線、傳輸線天線以及大孔徑光電導天線等。 大多數(shù)實驗中采用偶極天線和傳輸線天線，其結構相對比較簡單。,共振偶極天線,傳輸線天線,影響天線發(fā)射功率的因素電極間隙,天線電極間隙對輻射THz強度的影響 光能相同，光斑覆蓋電極照射,影響天線發(fā)射功率的因素天線耐壓設計,通常天線的耐壓能力與半

8、導體芯片材料、天線電極的結構與形狀以及所采取的絕緣保護措施有關。 雙層全固態(tài)絕緣封裝工藝 僅采用Si3N4絕緣保護的光電導天線的耐壓可以提高三倍，再加有機硅凝膠后，擊穿電場可以提高近十倍，即達到100 kV/cm。,影響天線發(fā)射功率的因素天線工作溫度,Planken采用水冷裝置，可以給未加絕緣保護的0.4 mm的光電導天線施加50 kHz， 400V的方波交流電壓，得到THz電磁波的功率高達100 W。,不同電極寬度的天線,有無熱沉的天線,影響天線發(fā)射功率的因素刻蝕,刻蝕也是提高擊穿場強的一種方法。 電極未作刻蝕處理時， 電極與天線材料接觸的位置電流通道最薄，容易產(chǎn)熱，天線容易在此處燒壞； 采

9、用刻蝕工藝后，增加了電極和天線材料的接觸面積，增加了電流通道，減小了接觸電阻；電極被埋在芯片中不宜導致空氣放電擊穿。,影響天線發(fā)射功率的因素電極材料,AuGeNi合金電極 （1）電極制備工藝的重復性好； （2）退火后與GaAs材料形成歐姆接觸，表現(xiàn)出很高的電導率； （3）傳統(tǒng)的制備工藝和多種退火方式都可以采用。,Ti/Au電極 （1）一種不需退火的工藝。 （2）與GaAs形成肖特基接觸。,具有AuGeNi電極的天線和Ti/Au電極的天線的伏安特性曲線,影響天線發(fā)射功率的因素電極材料,Ti/Au電極天線和AuGeNi電極天線的比較,Ti/Au電極天線的穩(wěn)定性,提 綱,太赫茲技術和應用,量熱輻射計

10、 （Bolometer）,T0,T,非相干測量 0.1 THz 100 THz NEP: 4.510-15 W/Hz1/2 R = 8.14106 V/W,高萊探測器 （Golay Cell）,非相干測量 0.1 THz 100 THz NEP: 10-10 W/Hz1/2 R = 1.5105 V/W,熱釋電探測器 （Pyroelectric detector）,非相干測量 0.1 THz 100 THz NEP: 10-9 W/Hz1/2,肖特基二極管 （Schottky Diode）,相干測量 1.8 THz NEP: 10-10 W/Hz1/2,太赫茲時域光譜系統(tǒng),THz time d

11、omain spectroscopy (THz-TDS),太赫茲時域光譜系統(tǒng),THz time domain spectroscopy (THz-TDS),時域波形和頻譜,時域波形,頻譜,輝光放電探測器 （Glow Discharge Detector）,氖燈可以用作GDD，其中包含了 99.5% 的氖氣和0.5%的氬氣。,優(yōu)點: 廉價 ( $1); 很高的電學耐受性 （Electronic ruggedness）; 寬帶 (THz, IR, UV, X-ray, -ray); 室溫操作; 響應速度快 (ms的上升時間).,什么是輝光放電探測器 （GDD）？,工作原理,增強的級聯(lián)電離: 入射電

12、磁波增加了電子和中性原子的碰撞電離，從而導致放電電流的增加。,實驗裝置,電磁波源: 1) 耿氏振蕩器 (40 mW at 0.2 THz) 2) 返波振蕩器 (6.3 mW at 0.1 THz and 29 mW at 0.37 THz) 3) 飛秒激光器 (350 mW at 800 nm) 4) 紫外射線槍 (90 mW at 200 400 nm),實驗電路示意圖,實驗結果: 金屬反射器的增益,用具有金屬反射器和沒有金屬反射的GDD獲得的THz波的信號(40 mW at 0.2 THz) 金屬反射器能夠把信號放大 4 倍!,金屬反射器,實驗結果: THz信號,根據(jù)源的能量歸一化處理 的

13、THz測量信號 (6.3 mW at 0.1 THz, 40 mW at 0.2 THz, and 29 mW at 0.37 THz),實驗結果:響應率,響應率隨著入射頻率的增加減小 : 玻璃壁的吸收 : The collision frequency () is less than 100 GHz.,實驗結果: 紅外信號,紅外光的測量信號 (350 mW at 800 nm) (a) 陽極, (b) 在法拉第區(qū)和陰極輝光區(qū)之間 (c) 陰極,實驗結果: 紫外信號,紫外光的測量信號 (90 mW at 200 400 nm),THz干涉儀,THz干涉儀,用GDD測得的THz相干信號,THz

14、干涉儀,用GDD測得的THz信號的頻譜,用GDD、肖特基二極管和熱釋電探測器測得的THz信號的頻譜,THz成像: 具有一些金屬圖案的印刷線路板,印刷線路板,用GDD獲得的THz圖像,用肖特基二極管得到的THz圖像,THz成像: 裝水的茶壺,茶壺,用GDD獲得的THz圖像,用肖特基二極管得到的THz圖像,THz成像: 裝水的噴壺,噴壺,用GDD獲得的THz圖像,用肖特基二極管得到的THz圖像,THz成像: 木盒,木盒,用GDD獲得的THz圖像,用肖特基二極管得到的THz圖像,THz 成像: 急救箱,用GDD獲得的THz圖像,用肖特基二極管得到的THz圖像,現(xiàn)有實驗條件,建起70 平米的超凈實驗室,超凈實驗室更衣室