THzgenerationanddtection太赫兹电磁波的产生和检测PPT.ppt

1-50 太赫兹电磁波的产生和检测 研究生系列讲座 2-50 提 纲 太赫兹技术和应用 太赫兹波的产生 1 太赫兹波的检测2 太赫兹波光谱3 太赫兹波成像4 5 3-50 提 纲 太赫兹技术和应用 太赫兹波的产生 1 太赫兹波的检测2 太赫兹波光谱3 太赫兹波成像4 5 4-50 10310610910121015101810211024100 microwavesvisible kilomegagigaterapetaexazetta yotta x-rayg -ray THz GapElectronics industryPhotonics industry Hz Frequency (Hz) dc 太赫兹（THz）电磁波通常指的是频率在0.1 THz10 THz 区间的远红外电磁辐射，其波段位于微波和红外光之间。 是一个具有丰富的科学研究价值，而尚未充分开发的一个 电磁波段。 in different units: 1 THz 1 ps 300 mm 4.1 meV 47.6 oK THz波在电磁波谱中的位置 5-50 THz电磁波的特点 (1) 透视性：很多介电材料和非极性液体对太赫兹波是透明的。 应用：不透明物体透视成像，在浓烟和沙尘环境中成像。 (2)低能性：THz光子的能量只有毫电子伏特，低于各种化学键 的键能，不会对生物组织产生有害的电离。 应用：旅客安检，生物组织活体检测。 (3)光谱分辨本领：大量的分子，尤其是有机分子，其转动和振 动的跃迁在THz频段表现出强烈的吸收和色散特性，从而在 THz频谱中表现出特有的吸收峰。 应用：毒品、爆炸物检测。 6-50 THz电磁波的应用鉴定物质 12种化学样品、生物样品和爆炸物的THz谱 7-50 THz电磁波的应用无损检测 内部设置30个缺陷的航空 绝热泡沫照片 0.2 THz连续波太赫兹图像 8-50 THz电磁波的应用疾病诊断 乳腺组织的切片照片方框部位的放大照片及其THz像 9-50 THz电磁波的应用安全检测 某人的光学照片和利用0.094 THz波对人体透视图像 10-50 制约太赫兹波应用的因素 1. 太赫兹电磁波本身的特性 2.技术手段的限制 研制功率高、信噪比大、稳定性好的太赫兹源以及信噪比高 、灵敏度好的太赫兹探测器是推动太赫兹技术发展的关键。 11-50 THz 源的种类 非相干的热辐射源 (热源) 电子学的高频微波辐射源 THz激光器 基于非线性的光学发射源 光电子辐射源 12-50 相干THz源的发展历史 超快光电子学光学电子学 13-50 电子学方法返波振荡器 (BackWard Wave Oscillator) 电磁波的频率由其减速系统的周期和电子速度决定 平均功率：几百W-100 mW， 频率 GaAs裸片,无偏置电场 正入射时没有THz辐射; 布儒斯特角(qB) 时辐射最强 GaAs辐射THz强度与角度的关 qBqB 20-50 光电子学光致丹倍效应 (photo-Dember Effect ) 光生载流子向材料的内部扩散。电子和空穴的迁移率的不同 产生光致丹倍场。该瞬态场向外辐射THz电磁波。 air eh e h eh e h e h e h e h eh e h e h e h e h e h e h InAs Depth Carrier concentration Hole Electron light THz wave InAs wafer THz Tani, Sarukura, Johnston, Krotkus, Liu, etc 21-50 光电子学光致丹倍效应 (photo-Dember Effect ) 24681012 THz Amplitude (a.u.) Delay Time (ps) p-InAs n-GaAs p-type InAs wafer (1016/cm3) 是最好的非偏置THz发射器。 发射强度比最好的GaAs强1600 times. p- InAs的THz发射强度要比 n-InAs强几倍. 22-50 EO crystalInput laser pulse I(t, w, Dw)THz pulse ETHz(t, W) P(t) c(2) Dt, Dw 光整流效应 (Optical Rectification) 23-50 光电子学光电导天线 偶极天线发射THz波原理 e- laser h+ +- p p = q a -+ dipole a 24-40 影响天线发射功率的因素光电导体 性能良好的光电导体应该具有尽可能短的载流子寿命、高的载流 子迁移率和介质耐击穿强度。 离子注入GaAs： 一些离子注入半导体材料（GaAs:As，GaAs:H，GaAs:N， GaAs:O）可能成为低温LT-GaAs的替代产品。 LT-GaAs 暗态电阻（107 cm） 载流子迁移率（100-300 m2/Vs） 载流子寿命（0.25 ps ） 击穿强度（ 500 kV/cm） 然而LT-GaAs的制备工艺的重复性不好，因为LT-GaAs的性质对 制备温度和退火温度依赖很强。 25-40 影响天线发射功率的因素天线结构 天线结构通常有赫兹偶极天线、共振偶极天线、锥形天线、 传输线天线以及大孔径光电导天线等。 大多数实验中采用偶极天线和传输线天线，其结构相对比较简单 。 Emitter laser pulseE V 共振偶极天线 传输线天线 26-40 影响天线发射功率的因素电极间隙 天线电极间隙对辐射THz强度的影响 光能相同，光斑覆盖电极照射 屏蔽效应 27-40 影响天线发射功率的因素天线耐压设计 通常天线的耐压能力与半导体芯片材料、天线电极的结构与形状 以及所采取的绝缘保护措施有关。 双层全固态绝缘封装工艺 仅采用Si3N4绝缘保护的光电导天线的耐压可以提高三倍，再加有 机硅凝胶后，击穿电场可以提高近十倍，即达到100 kV/cm。 28-40 影响天线发射功率的因素天线工作温度 Planken采用水冷装置，可以给未加绝缘保护的0.4 mm的光 电导天线施加50 kHz， 400V的方波交流电压，得到THz电 磁波的功率高达100 W。 不同电极宽度的天线有无热沉的天线 gap width 29-40 影响天线发射功率的因素刻蚀 刻蚀也是提高击穿场强的一种方法。 电极未作刻蚀处理时， 电极与天线材料接触的位置电流通道最薄，容易产热，天线 容易在此处烧坏； 采用刻蚀工艺后，增加了电极和天线材料的接触面积，增加了电 流通道，减小了接触电阻；电极被埋在芯片中不宜导致空气放电 击穿。 30-40 影响天线发射功率的因素电极材料 AuGeNi合金电极 （1）电极制备工艺的重复性好 ； （2）退火后与GaAs材料形成 欧姆接触，表现出很高的电导 率； （3）传统的制备工艺和多种退 火方式都可以采用。 Ti/Au电极 （1）一种不需退火的工艺。 （2）与GaAs形成肖特基接触。 具有AuGeNi电极的天线和Ti/Au 电极的天线的伏安特性曲线 31-40 影响天线发射功率的因素电极材料 Ti/Au电极天线和AuGeNi电极天 线的比较 Ti/Au电极天线的稳定性 32-50 提 纲 太赫兹技术和应用 太赫兹波的产生 1 太赫兹波的检测2 太赫兹波光谱3 太赫兹波成像4 5 33-40 量热辐射计 （Bolometer） T0 T 非相干测量 0.1 THz 100 THz NEP: 4.510-15 W/Hz1/2 R = 8.14106 V/W 吸收体 热源 热敏电阻 PTHzPbias 34-40 高莱探测器 （Golay Cell） 非相干测量 0.1 THz 100 THz NEP: 10-10 W/Hz1/2 R = 1.5105 V/W 35-40 热释电探测器 （Pyroelectric detector） 非相干测量 0.1 THz 100 THz NEP: 10-9 W/Hz1/2 36-40 肖特基二极管 （Schottky Diode） 相干测量 1.8 THz NEP: 10-10 W/Hz1/2 37-50 太赫兹时域光谱系统 THz time domain spectroscopy (THz-TDS) 38-50 太赫兹时域光谱系统 THz time domain spectroscopy (THz-TDS) 39-40 时域波形和频谱 时域波形频谱 信噪比：SNR= 最大值 噪声的均方根 动态范围（Dynamic Range）： DR= 峰峰值 噪声的均方根 40-50 辉光放电探测器 （Glow Discharge Detector） 氖灯可以用作GDD，其中包含了 99.5% 的氖气和0.5% 的氩气。 优点: 廉价 ( $1); 很高的电学耐受性 （Electronic ruggedness）; 宽带 (THz, IR, UV, X-ray, -ray); 室温操作; 响应速度快 (ms的上升时间). 什么是辉光放电探测器 （GDD）？ 41-50 工作原理 增强的级联电离: 入射电磁波增加了电子和中性原子的碰撞电离，从而导致放电电流的 增加。 电磁波 信号 GDD 微波, THz波, 红外, 紫外, X -射线 & -射线 42-50 实验装置 电磁波源: 1) 耿氏振荡器 (40 mW at 0.2 THz) 2) 返波振荡器 (6.3 mW at 0.1 THz and 29 mW at 0.37 THz) 3) 飞秒激光器 (350 mW at 800 nm) 4) 紫外射线枪 (90 mW at 200 400 nm) 实验电路示意图 43-50 实验结果: 金属反射器的增益 用具有金属反射器和没有金属反射的GDD获获得的THz波的信号(40 mW at 0.2 THz) 金属反射器能够把信号放大 4 倍! 金属反射器 44-50 实验结果: THz信号 根据源的能量归归一化处处理 的THz测测量信号 (6.3 mW at 0.1 THz, 40 mW at 0.2 THz, and 29 mW at 0.37 THz) 45-50 实验结果:响应率 0.1 THz0.2 THz 0.37 THz 无放大器1.02 V/W0.30 V/W0.14 V/W 有放大器 (增益 = 150) 150.0 V/W57.5 V/W19.3 V/W 响应率随着入射频率的增加减小 : 玻璃壁的吸收 : The collision frequency () is less than 100 GHz. 46-50 实验结果: 红外信号 红红外光的测测量信号 (350 mW at 800 nm) (a) 阳极, (b) 在法拉第区和阴极辉辉光区之间间 (c) 阴极 GDD 阳极阴极 法拉第区 47-50 实验结果: 紫外信号 紫外光的测测量信号 (90 mW at 200 400 nm) 48-50 THz干涉仪 THz干涉仪 Gunn Oscillator GDD BS 用GDD测得的THz相干信号 49-50 THz 干涉仪 用GDD测得的THz信号的频谱 用GDD、肖特基二极管和热释电 探测器测得的THz信号的频谱 50-50 THz成像: 具有一些金属图案的印刷线路板 印刷线路板 用GDD获得的THz图像 用肖特基二极管得到 的THz图像 51-50 THz成像: 装水的茶壶 茶壶 用GDD获得的THz图像 用肖特基二极管得到 的THz图像 52-50 THz成像: 装水的喷壶 喷壶用GDD获得的THz图像 用肖特基二极管得到 的THz图像 53-50 THz成像: 木盒 木盒用GDD获得的THz图像 用肖特基二极管得到 的THz图像 54-50 THz 成像: 急救箱 用GDD获得的THz图像 用肖特基二极管得到 的THz图像 55-50 现有实验条件 建起70 平米的超净实验室 超净实验室更衣室超净实验室内部全景 56-50 现有实验条件 锁相放大器和电动平移台及控制器 光学平台 飞秒激光器 电动平移台 57-5