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,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）,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

4、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,Electr

5、on,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 times. 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 (Optic

6、al 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-GaAs 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)

7、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

8、,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

9、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 （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: 1

10、0-10 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 domain 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 Detecto

11、r）,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

12、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 frequen

13、cy () 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 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,超凈實驗室