（光学专业论文）电光取样材料性能对thz光谱探测的影响.pdf

摘要 摘要 理想情况下，通过电光取样直接测量得到的太赫兹( t l - l z ) 信号就代表了t h z 脉冲的 原始波形。然而，在实验中观察到的t h z 信号经常会发生变形。这种变形可能是由诸多因 素造成的，一个因素是电光取样过程中相位失配造成的影响，另一个因素是t h z 脉冲在激 发晶体和电光取样晶体中传播时色散和晶体界面反射造成的影响。另外，水蒸气的吸收也 可以导致t h z 脉冲波形的改变。 本论文主要研究电光晶体的性能对于t h z 脉冲探测的影响，这些电光晶体的性能主要 包括：横光学声子频率，介电常数，折射率，吸收系数等。由于探测晶体本身性能的限制， 使得其探测能力受到了很大的影响。我们常用到的z n t c 晶体横光学声子频率在5 3 t h z 处， 靠近这个频率的t h z 脉冲成分由于共振吸收而衰解，因此其可探测的最大频率范围被限制 在0 - 5 t h z 。在国外，用g a p 晶体代替z n t e 晶体，可使其可探测频率范围扩展到0 7t h z 。 本论文根据t h z 脉冲与电光晶体相互作用的基本理论，通过用m a t l a b 编程计算模拟了 电光晶体性能对t h z 脉冲探测的影响。这项研究有助于t h z 初始脉冲的重建和探测晶体 的选择。另外，对于飞秒超快动力学的研究有助于对t h z 产生过程的深层了解。载流子寿 命是影响t h z 脉冲频谱宽度的重要原因之一，通过对载流子寿命的测量可以从一个侧面了 解t h z 辐射的谱宽特性。本论文完成了如下研究工作： ( 1 ) 根据相关理论用m a t l a b 程序模拟了t h z 脉冲在介质中的传播特性。t h z 脉冲在介 质中色散特性、t h z 脉冲在晶体界面的反射以及探测脉冲与t h z 脉冲的相位匹配会对t h z 脉冲波形产生影响。这些影响已在实验中观察到，通过理论上加以解释和模拟，能够使我 们对t h z 脉冲波形的变化得以深刻地理解和修正。本文得到的一些结果包括：t h z 脉冲在 介质中的色散特性会导致t h z 脉冲中的高频部分被吸收；t h z 脉冲晶体表面的反射会导致 t h z 脉冲中的高频分量被反射；相位匹配会影响探测到的t h z 脉冲波形。 ( 2 )模拟了不同晶体对于高频t h z 脉冲的探测特性。我们发现晶体中的横光学声子频 率是影响晶体探测性能的一个重要参数，当t h z 脉冲的频率分布靠近探测晶体中的横光学 声子频率时，由于太赫兹波与晶体横光学声子发生共振而被吸收，使得探测到的t h z 频谱 在横光学声子频率处出现凹陷。通过模拟我们发现，横光学声子频率较高的晶体，如g a p 晶体等，对于高频t h z 脉冲的探测性能会较高。 ( 3 )研究了飞秒脉冲激发t h z 脉冲的超快过程所涉及的物理机制；搭建了测量载流子 l 摘要 寿命的装置，得到了半绝缘g a a s 的载流子寿命，这一工作对于选择t h z 发射极材料具有 重要的参考价值。在测量过程中我们发现，当泵浦脉冲的强度和探测脉冲的强度为1 0 ：1 时， 测量效果会较好。我们所测得的半绝缘g a a s 载流子寿命在0 5 p s 0 6 p s 之间，同样的我们 可以研究其它半导体材料的载流子动力学，从而对选择t h z 发射极材料提供指导。 综上所述，本文考虑了影响t h z 脉冲探测的各个因素，通过理论分析和数值模拟，说 明了这些因素对t h z 脉冲的探测所造成的影响。我们发现，晶体中的横光学声子频率是影 响探测晶体性能的一个重要参数，横光学声子频率较高的晶体，如g a p 晶体等，可以用于 探测包含更高频率成分的宽带t h z 脉冲。 关键词：探测；色散；反射；g a p 晶体；高频探测；载流子寿命。 a b s t r a c t a b s t r a c t i d e a l y , t h et h zp u l s es h a p ei st h a tm e a s u r e dd i r e c t l y , b u tt h et h zp u l s es h a p eo b t a i n e di s d i s t o r t e di ne x p e r i m e n t t h i sd i s t o r t i o ni sc a u s e db ys e v e r a lf a c t o r s ，o n ei st h ep h a s em a t c h i n go f t h ee l e c t r o o p t i cs a m p l i n gp r o c e s s ，a n o t h e ro n ei st h ed i s p e r s i v ea n dr e f l e c t i o ni nt h ep r o c e s so f t h zp u l s ep r o p a g a t i o ni nt h ew h i c hc r y s t a lt h et h zp u l s e sa r eg e n e r a t e da n dt h ee l e c t r o 。o p t i c s a m p l i n gc r y s t a l t h ea b s o r p t i o no f a m b i e n tw a t e rv a p o rc a na l s ol e a dt od i s t o r t i o n t h i st h e s i ss t u d i e st h ec h a r a c t e ro ft h ee l e c t r o o p t i cc r y s t a lw h i c ha f f e c t st h et h zp u l s e d e t e c t i o n t h ep r o p e r t i e so ft h e s ee l e c t r o - o p t i cc r y s t a li n c l u d e ：t r a n s v e r s e o p t i c a l - ( t o ) p h o n o n r e s o n a n c ef r e q u e n c yd i e l e c t r i cc o n s t a n t ，r e f r a c t i v ei n d e x ，a b s o r p t i o nc o e f f i c i e n t ，e t c t h e c h a r a c t e ro ft h e s ee l e c t r o - o p t i cc r y s t a ll i m i ta b i l i t i v i t yo fd e t e c t i o n w eu s e dt h ez n t ec r y s t a l ，i n w h i c ht h et r a n s v e r s eo p t i c a lp h o n o nf r e q u e n c ya t5 3t h z ，t h i sm a k e sa r o u n dt h et h zp u l s e f r e q u e n c yo f5 3t h z i sa b s o r b e db yt h er e s o n a n c e ，s oi t sd e t e c t i o nf r e q u e n c yr a n g eo f0 - 5t h z i nf o r e i g nc o u n t r i e s ，i n s t e a do fu s i n gg a pc r y s t a lb yz n t ec r y s t a l s ，t h ef r e q u e n c yr a n g ee x t e n d e d t o0 7t h z a c c o r d i n gt ot h er e l e v a n tp h y s i c sf o r m u l a s w em a k eap r o g r a mb ym a t l a b ，t os i m u l a t et h e c h a n g e so ft h ec r y s t a lt h zp u l s ed e t e c t i o np r o p e r t y t h er e s e a r c hi sc o n t r i b u t e dt ot h ei nt h z p u l s er e c o n s t r u c t i o na n d d e t e c t i o nc r y s t a lc h o i c e i na d d i t i o n ，t h eu l t r a f a s t f e m t o s e c o n d d y n a m i c so ft h zc o n t r i b u t et oad e e p e rf o ru n d e r s t a n d i n go ft h ep r o c e s s t h ec a r r i e rl i f er e l a t e d w i t ht h zp u l s ew i d t ho ft h es p e c t r u m ，b yt h ec a r r i e rl i f e t i m em e a s u r e m e n t sc a nb ef o u n do u t t h z p u l s ep r o p e r t i e so ft h zp u l s e w i d t ho ft h es p e c t r u m t h i st h e s i sh a sa l r e a d ys o m er e s u l t s ： ( 1 ) i na c c o r d a n c ew i t ht h er e l e v a n tf o r m u l au s i n gm a t l a bs i m u l a t i o np r o c e d u r e st h et h zp u l s e p r o p a g a t i o ni nt h em e d i u m ，t h zp u l s ed i s p e r s i o ni n t h em e d i u m ，t h zp u l s er e f l e c t i o no ft h e c r y s t a ls u r f a c ea sw e l la st h ep u l s ep h a s em a t c h i n g ，w h i c hw i l li n f l u e n c et h et h zp u l s e t h e s e e f f e c t sh a v ea l r e a d yb e e ni nt h ee x p e r i m e n tp e r f o r m a n c e ，w ew i l ln o wr i s et ot h et h e o r y ，a n dg e t s o m er e s u l t s ，t h e s er e s u l t si n c l u d e ：t h zp u l s ei nt h em e d i u md i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c sw i l ll e a d t ot h zp u l s eo fh i g h - f r e q u e n c yp a r ta b s o r p t i o n ，c r y s t a ls u r f a c er e f l e c t i o n w i l ll e a dt oh i 【g h f r e q u e n c yc o m p o n e n t se a s i l yr e f l e c t i o n ，t h ed e t e c t i o np h a s e - m a t c h e dw i l la f f e c tt h et h zp u l s e w a v e f o r m n 1 a b s t r a c t ( 2 ) w es i m u l a t ei nt h ed i f f e r e n td e t e c t i o nc r y s t a lf o rt h eh i g h - f r e q u e n c yt h zp u l s ec h a r a c t e r i s t i c s w ef o u n dt h et r a n s v e r s ep h o n o nr e s o n a n c ei sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e ra f f e c t e dt h ed e t e c t i o n p r o p e r t i e s t h zp u l s ef r e q u e n c yd i s t r i b u t i o na r o u n dt h et r a n s v e r s ep h o n o nr e s o n a n c ef r e q u e n c y w i l lv a n i s hd u et ot h er e s o n a n c ea b s o r p t i o n ，d e t e c t i o nt h zs p e c t r u mw i l lb ed e f i c i e n c i e s w e f o u n dt h a tb yu s i n go ft h eh i g h e ro ff f a n s v e r s ep h o n o nf r e q u e n c yi nc r y s t a l ，s u c ha sg a p c r y s t a l ， a n ds oo n ，t h eb e t t e ro fh i g h f r e q u e n c yt h z p u l s ed e t e c t i o np e r f o r m a n c e ( 3 ) t h ep h y s i c a lm e c h a n i s mo ft h et h zp u l s ef e m t o s e c o n dp u l s e so fu l t r a f a s te x c i t a t i o np r o c e s s i ss t u d i e d w eh a v em e a s u r e m e n tc a r r i e rl i f e t i m eo fs e m i i n s u l a t i n gg a a s b ym e a s u r e m e n to f t h ep u m pp u l s ea n dp r o b ep u l s ei n t e n s i t ya n dt h ei n t e n s i t yo f1 0 ：1 ，m e a s u r e dr e s u l t sw o u l db e b e t t e r i ns u m m a r y ，t h ei n f l u e n c et h ev a r i o u sf a c t o r st ot h z p u l s ed e t e c t i o n ，t h r o u g hs i m u l a t i o na n d t h e o r ya n a l y s i s w ef o u n dt h ec r y s t a lt r a n s v e r s e p h o n o nr e s o n a n c ef r e q u e n c yc r y s t a li s a n i m p o r t a n tp a r a m e t e rw h i c hi m p a c td e t e c t i o np r o p e r t i e s ，t h eh i g h e ro ft r a n s v e r s ep h o n o n r e s o n a n c ef r e q u e n c yi nc r y s t a l ，s u c ha sg a p c r y s t a l ，a n ds oo i l ，t h eb e t t e ro fh i g h f r e q u e n c yt h z p u l s ed e t e c t i o np e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：d e t e c t i o n ，d i s p e r s i v ea n dr e f l e c t i o n ，g a pc r y s t a l ，h i g h - f r e q u e n c yd e t e c t i o n ， c a r r i e rl i f e t i m e i v 首都师范大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 更新亏 首都师范大学位论文授权使用声明 本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文 并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利 目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据 库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规 定。 学位论文作者签名： 睫新节 日期潲j 啪 第一章引言 第一章引言 太赫兹( t h z ) 技术是最近二十年来由于超快激光技术的迅速发展而出现的一门新兴 技术，它在生物学1 1 。4 1 、医学、微电子学、农业f 卯、国防、反恐1 6 1 、航天1 7 1 等领域都表现出 了极大的应用潜力。正是由于它在这些领域所体现出的巨大潜力，使得t h z 技术已经吸引 了世界范围内的人们的广泛兴趣。近几年，光子晶体【8 1 5 】在t h z 波段的性质，成了t h z 领 域的一个重要方向，因此对于入射到光子晶体上t h z 波的形状、大小及其能量分布情况的 了解变得非常必要了。由于t h z 系统的高成本、装置的笨重性、低功率及光谱宽度较窄等 特性，严重限制了t h z 技术的进一步应用，对低成本、便携式、高功率及宽光谱辐射源的 需求一直都非常紧迫。 1 1 论文的研究背景 t h z 辐射在电磁波谱上位于微波和红外之间，属于远红外波段，如图卜l 所示。通常所 研究的1 r i z 辐射指的是频率在0 1 t l 也1 0 t h z ，波长在3 0 z m 3 m m ，波数在3 3 3 3 0 c m 。1 之间 的电磁波。t h z 辐射作为电磁波谱上新开发的最后一个频率窗口【1 6 l ，由于其独特的性质， 使得它在物理、化学、生物医学、通信、雷达、安全检查等各方面都有广阔的应用前景。 2 0 世纪8 0 年代以来，t h z 辐射源和探测器的研究不断取得新的进展，极大的促进了t h z 辐 射的理论和应用的研究。目前，全世界有2 0 0 多个研究小组在从事t h z 相关的研究，比如美 国伦斯勒理工大学、r i c e 大学、英国剑桥大学和里兹大学、德国汉堡大学、韩国首尔大学、 日本大阪大学等等。我国，在t h z 研究方面有中国科学院物理研究所、上海应用物理研究 所、西安光学与精密仪器研究所、天津大学、浙江大学、首都师范大学物理系等科研院所 和高校。t h z 研究已经成为全世界科学家研究的一个热点。 t h z 辐射之所以能引起科学家们广泛的关注，是因为物质的t h z 光谱( 包括透射光谱和 反射光谱) 包含着非常丰富的物理和化学信息，研究物质在这一波段的光谱对于物质的t h z 指纹数据库的建立，物质结构的探索和分析，t h z 波段的光电器件开发研究，都具有十分 重要的意义。 t h z 脉冲光源与传统光源相比具有很多独特的性质： 一、瞬态性：太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但可以方便地对各种材料( 包括 液体、半导体、超导体、生物样品等) 进行时间分辨的研究，而且通过取样测量技术，能 1 第一章引言 。：，。，。：。蓼羔冀。一。一t ：一s 一 图1 - 1 太赫兹波段在电磁波谱中的位置示意斟 够有效地抻制背景辐射噪音的干扰。目前，辐射强度测量的信噪比可以大t l o i l o ，远远高 于傅立叶变换红外光谱技术而且其稳定性更好【1 7 1 。 二、高信噪比：通过取样测量技术可以有效地抑制背景辐射噪声的干扰r 从而使t h z 技术具有较高的信噪比。e i o g h z 舭频率范围内，t h z 时 域光谱( t i 矶z - t d s ) 的信噪比 可以达到1 0 ，而传统的傅立叶变换红外光谱( f t i r ) 的信噪比只有3 0 0 左右。但是超过这 个频率范围，f 1 陬的信噪比要优于t h z - t d s ，当带宽增加到4 0 t h z 时，t h z t d s 的信噪比将 显著下降。可以看m t h z - t d s 在低频波段具有较高的信噪比。 三、相干性：t h z 的相干性源于其相干产生机制。一般t h z 是由相干电流驱动的偶板子 振荡产生，或是由相干的激光脉冲通过非线性光学整流效应产生。t h z 相干测量技术能够 直接测量电场的振幅和相位，从而方便地提取样品的折射率、吸收系数、消光系数、介电 常数等光学参数，与利用k r 拥c 睁k m l i i g 关系的方法相比，大大减少了计算和不确定性。 而传统的兀m 技术只能测量出电场的强度信息。 四、低能性：仳波的光子能量只有毫电子伏特，与x 射线相比。不会因为光致电离而 破坏被检测的物质，所以t h z 波更适于对“活体”进行检查“。 五、高穿透性：t h z 辐射对于很多非极性物质，如电介质材料及塑料、纸箱、布料等 包装材料有很强的穿透性，可用柬对已经包装的物品进行质检或者用于安全检查【1 ”。 六、吸水性：他辐射对于水分子有强烈的吸收1 3 啪l i l 9 i ，可以通过分析产品中水分的 含量来对产品的质量进行控制4 。另外，由于肿瘤组织中水分的舍量与正常组织明显不同， 所以通过分析组织中水分的含量可以确定出肿瘤的部位以及扩散情况。 七、指纹光谱：许多生物大分子例如氯基酸、生物肽、毒品和炸药分子的振动和转动 能级间的间距正好处于t h z 频率范围，使得获得它们的t h z 指纹光谱成为可能，从而为 t h z 光谱技术在分析和研究生物大分子的物理化学性质、反恐、缉毒等提供了相关理论依 第一章引言 据曙引。 目前，对t h z 技术的研究主要集中在两个方面，t h z 辐射成像和t h z 辐射光谱探测。 在成像方面乜别，可见光、x 射线、电子束、中近红外光和超声波是医学诊断、材料分 析以及工业生产等诸多领域广泛应用的主要成像信号源。与以上光源相比，t h z 辐射对于 电介质材料具有类似的穿透效果，除了可测量由材料吸收而反映的空间密度分布外，还可 通过位相测量得到折射率的空间分布，获得材料的更多信息，这是t h z 探测技术的独特优 点。利用这一特点，结合断层扫描原理可以实现计算机层析成像，从而获得样品的三维信 息。t h z 成像最先由h u 和n u s s 于1 9 9 5 年提出并实现啪1 。此后，t h z 成像的研究领域包括半导 体啪1 ，癌症组织汹及火焰1 等，其中一个重要应用就是t h z - - - 维断层扫描成像技术啪1 。此 外，由于其低能性的特点，不会对材料造成破坏。因此，t h z 成像技术有望在安全检查和 医学检查方面成为x 射线成像的有力补充。但由于t h z 波的波长在亚毫米范围，决定了成像 的分辨率较低。为提高t h z 成像的分辨率，人们提出了近场成像与动态孔径的方法，使分 辨率达到了波长以下的尺度口1 l 。大多数极性分子如水分子，对t h z 辐射有强烈的吸收，在 很大程度上限制了t h z 成像的实际应用。 t h z 技术中另一个研究的热点是利用t h z 时域光谱技术研究材料在t h z 波段的光学性 质。此技术于8 0 年代实现，此后利用t h z 时域光谱技术测量了一系列材料在t h z 波段的光学 性质，如1 9 9 0 年，d g r i s c h k o w s k y 等人利用t h z t d s 测定了s i 、g e 和g a a s 等半导体和电介 质在t h z 波段的光学材料数据，现在仍被用作t h z 波段的标准数据；s d b r o s r o n 于1 9 9 6 年 首次利用t h 注t d s 研究超导材料的特性【3 2 】。 利用t h z t d s 研究生物分子则是最近几年受到研究工作者重视的课题。大量理论表 明，许多生物大分子的集体振动和转动模恰好位于t h z 波段【3 3 1 ，生物分子的集体振动模由 分子构象或构型决定1 ，反映了分子整体结构的信息，而分子结构对周围环境也十分敏感， 所以t h z 光谱对于研究生物大分子的结构，分子之间以及分子与环境的相互作用有明显的 优势引。因此，利用t h z 时域光谱技术可以获得这些生物大分子在t h z 波段的光学常数，进 而可以研究它们的结构和动力学特性。其次t h z 波的光子能量极低，对生物分子的损伤小， 所以在研究过程中不会破坏生物分子的结构。由于，n z 探测一般采用p u m p p r o b e 方法，可 以通过时间分辨光谱对生物大分子的特定反应过程和相互作用过程进行动态研究7 l 。近几 年，t h z 光谱技术已经在生物分子的远红外吸收特性、分子结构鉴别、识别生物组成和生 物物质相互作用等方面取得了长足的进展。 3 第一章引言 1 2t h z 辐射的产生 随着应用领域对t i - i z 技术的迫切需求，对高功率、低成本、便携式、常温下能工作的 t h z 辐射源的需求越来越紧迫。特别是近十几年来，随着超快激光技术的迅速发展，为t h z 辐射的产生提供了稳定、可靠的激发光源，使t h z 辐射的产生和应用得到了很大的发展。 在这里我们只介绍目前应用比较广泛的三种产生n 乜辐射的方法和量子级联激光器。 1 2 1 光导激发机制 光电导的方法是利用高速光电导材料作为瞬态电流源，从而向外产生1 r i z 辐射，如图 1 - 2 所示。这种机制由m o u r o u ，f a t t i n g e r 和g r i s c h k o w s h y ，a u s t o n 3 8 - 4 0 l 等人发展起来。基本 原理是利用高能飞秒脉冲激光照射高速半导体材料，要求光子能量高于材料的能带宽度 ( h v 芑e 。) ，从而在半导体材料表面激发出瞬态载流子( 电子一空穴对) 。此时，如果半 导体表面存在电场，则被激发的自由载流子会被电场加速，产生瞬变电流，从而这种随时 间变化的瞬变电流向外辐射出t h z 波。t h z 电磁辐射发射系统的性能决定于三个因素：光 导体、天线几何结构和泵浦激光脉冲宽度。光导体是产生t i - i z 电磁波的关键部件，性能良 好的光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。常 见的光导体有s i 、g a a s 、i n p 等。目前在t h z 技术中用的最多的是s j 和低温生长的g a a s 材料。 天线结构通常有基本的赫兹偶极子天线、共振偶极子天线、锥形天线、传输线以及大孔径 光导天线等。大多数实验中采用了基本偶极子天线，它的结构相对比较简单。 1 2 2 光整流效应 图1 2 光导天线产生t h z 脉冲示意图 光整流是一种非线性效应。其基本原理为：利用激光脉冲( 脉冲宽度在亚皮秒量级) 和非线性介质( 立i z e t e 等) 相互作用产生出低频电极化场p ( t ) z ( 2 e ：e ，此电极化场辐 射出t h z 电磁波，如图1 - 3 所示。电磁波的振幅强度和频率分布决定于激发脉冲的特性和非 4 第章引言 线性介质的性质，如激光脉冲的强度和脉宽、介质的二阶非线性系数、损伤域值、相位匹 配和输出的耦合效率等等【4 2 , 4 3 】。利用这种方法第一次产生远红外辐射是在1 9 7 1 年。常用的 非线性介质有n 肋d 3 、l i t a 0 3 【4 4 4 5 1 、有机晶体删s 丁【似7 】、g a a s 和z n t e1 4 8 1 等。用得最多 的是z n t e 和g a a s 。 入射激光脉冲电光晶体t l l z 脉冲 p ( ，) 筑掣 图卜3 光整流效应 两种产生太赫兹电磁波的方法中，用光导天线辐射的太赫兹电磁波能量通常比用光整 流效应产生的太赫兹波能量强。因为光整流效应产生的太赫兹波的能量仅仅来源于入射的 激光脉冲的能量，而光导天线辐射的太赫兹波的能量主要来自天线上所加的偏置电场，可 以通过调节外加电场的大小来获得能量较强的太赫兹波【4 9 1 。但是，光导天线产生的太赫兹 电磁波的频率较低，而光整流产生的太赫兹电磁波的频率较高。 1 2 3 半导体表面场效应 近年来，利用半导体表面场获得t h z 辐射被多数人认为是最实用的t h z 辐射源，由于 其简便和高辐射效率的特点，而获得了广泛的发展。我们经常提到的表面场包括耗尽层电 场【删和丹伯尔场【5 1 1 两种类型，在表面场提出的早期，利用耗尽层电场产生t h z 辐射曾占主 导地位，最典型的就是一段时期内i l l p ( 耗尽层电场较强) 被认为是辐射效率最高的半导体。 后来，随着d e m b e r 电场逐渐被人们所了解，发现i n a s ( 丹伯尔电场较强) 的辐射效率比 i n p 的还要高，使得i n a s 在许多情况下成了t h z 发射极的首选。 从图卜4 中可以看到入射光束，反射光束，反射方向的t h z 辐射场，以及透射方向的 t h z 辐射场，它们的角度关系满足广义的菲涅尔定则。利用这种原理获得t h z 辐射的通常 长通常在6 0 0 n t o ( 光子能量为2 1 e v ) 附近，以满足将价带电子激发到导带上。我们将以 5 曼 第一章引言 i n p 为例，详细的介绍产生t h z 辐射的过程。长通常在6 0 0 n m ( 光子能量为2 1 e v ) 附近， 以满足将价带电子激发到导带上。我们将以i n p 为例，详细的介绍产生t h z 辐射的过程。 i 腑3 d v n to p t i c a lb e a m 图卜4 半导体表面辐射t h z 波示意图图1 - 5 半绝缘i n p 的能带示意图 图1 5 给出了半绝缘i n p 的能带示意图，并标明了半导体与空气交界面处光激载流子 的运动情况。半绝缘i n p 的表面状态处于导带边缘附近，由于费米能级在交界面处的“针 扎效应 ，导带和价带向下弯曲，而形成宽度为i d 的耗尽层。当照在半导体表面的超快激 光脉冲的光子能级大于带隙时，光子被吸收，产生了电子空穴对，它们在半导体内静电场 的作用下向相反的方向运动电子向表面运动，空穴向内部运动，扫过厚度为i d 的耗尽 层，形成垂直表面流向内部的光电流，正是这些在耗尽层内形成的瞬态光电流辐射出t h z 波。 上面所讲到的利用半导体表面的耗尽层电场产生t h z 波，主要适用于像g a a s 和i n p 等宽带隙半导体，而对于像i n a s ( 乓= 0 3 6 e v ) 和i n s b ( 乓= 0 1 e v ) 等窄带隙半导体，耗 尽层电场是相当弱的，几乎可以忽略，但实际实验中用i n a s 作发射极，能够产生比i n p 更 高的辐射效率。对于此种现象的解释之一就是，辐射强度与窄带隙半导体内的高电子迁移 率有关。窄带隙半导体的瞬态电流要归功于光激丹伯尔电场的形成，这种电场是因为电子 拥有比空穴更大的传播速度造成的，这种电场和载流子的浓度梯度成正比。用光子能量在 1 5 e v 附近的近红外光照射，吸收深度在1 0 0 n m 附近，光激电子获得了多余的能量，再加 上电子的高迁移率，使得窄带隙半导体的丹伯尔效应增强了。因此丹伯尔场的超快建立和 弛豫过程被认为是在窄带隙半导体辐射出t h z 波的有效机理之一。 1 3t h z 辐射的探测 由于目前t h z 辐射源普遍功率较低，因此高灵敏、高信噪比的探测技术显得更加重要。 6 第章引言 根据产生脉冲t h z 的两种不同方式，对它的探测通常也有两种方法，分别为光导天线取样 技术【5 2 , 5 3 】和电光取样技术【5 4 ，5 5 1 。这里我们将对这两种探测方式进行简单的介绍。 光电导取样探测通常利用透明基片上的s i 或g a a s 薄层作为工作介质，一个与t h z 脉冲 有确定时间关系的取样脉冲在光导层中产生自由载流子，当自由空间中传播的t h z 辐射场 同时到达时，驱动这些载流子产生正比于t h z 瞬间电场的光电流。记录取样脉冲和t h z 脉 冲在不同时间延迟下产生的光电流，即可获得t h z 脉冲电场的时间波形。 电光取样测量技术基于线性电光效应，当t h z 电场通过电光晶体时，其瞬间电场将使 电光晶体的折射率发生各向异性的改变，当另一束探测光和t h z 脉冲同时通过晶体时，t h z 脉冲电场导致的晶体折射率改变，将使探测光的偏振态发生变化。调整探测光脉冲和t h z 脉冲之间的时间延迟、检测探测光在晶体中发生的偏振变化就可以获得t h z 脉冲电场的时 间波形。常用的电光晶体主要有z n t e 、g a a s 、i n p 、g a p 、c d t e 、l i t a 0 3 、l i n b 0 3 等。其 中z n t e 电光晶体在灵敏度、测试带宽和稳定性等方面的性能优于其它晶体。有机电光晶体 d a s t 也可用来探测t h z 波。 这两种探测t h z 脉冲的方法中，电光取样方法有较高的探测带宽，这是由于其时间响应 只与所用的电光晶体的非线性性质有关，目前用电光取样探测到的频谱已超过3 7 t h z 5 6 1 ， 同时这种探测方法具有光学平行处理的能力和好的信噪比，使它在实时二维相干远红外成 像技术中具有很好的应用前景。美国的y c a i 等人对这两种探测方法进行了研究，而光导天 线技术产生光电流的载流子寿命较好，导致其探测带宽较窄【5 7 1 。 1 4t h z 探测晶体的国内外研究现状 2 0 0 4 年英国剑桥大学的y c s h e n ，p c u p a d h y a ，e h l i n f i e l d ，和h e b e e r e 等人在 实验中观察到了z i l t e 晶体和g a a s 晶体中的横光学声子频率和纵光学声子频犁5 引，其研究 成果发表在p h y s i c a lr e v i e wb 上。 在实验中他们用持续时间为5 0 f s ，中心波长为7 9 0 n m ，重复频率为7 6m h z 的钛宝石激 光器激发低温生长的g a a s 光导天线，然后用2 0 微米晶i 句 的z n t e 晶体粘到1 毫米晶向 的锲形的z n t e 晶体上做为探测晶体。这样经过光导天线机制产生的t h z 脉冲就同时 经过了g a a s 晶体和z n t e 晶体。 7 第一章引言 s 司 留 、j 薯 主 要 量 盖 暑 l b ) 图1 - 6 时域谱 图1 7 频域谱 图1 6 是实验得到的时域谱，图是实验得到的1 7 频域谱，从1 7 中我们可以在频谱的凹 陷处观察到z n t e 晶体和g a a s 晶体中的横光学声子频率和纵向声子频率。这是由于在5 3 t h z ( z n t e 晶体的横光学声子频率) 和8 0 6t h z ( g a a s 晶体的横光学声子频率) 处t h z 脉 冲与电光取样晶体发生了能量传递使得靠近这些频率的t h z 脉冲被吸收衰减。用z n t e 晶体 探测得到的频域谱有明显的缺陷，这也使得t h z 时域光谱技术受到了很大的限制。 为了获得较宽的n z 频谱，必须克服z n t e 晶体这种缺陷。q w u 和x c z h a n g 用g a p 晶体代替z n t e 晶体做为探测晶体，测量的谱宽达到7 7 t h z t 5 9 1 ，其频谱图如1 8 所示。他们 所选择的激光器是钛蓝宝石激光器，波长的可调范围是7 8 0 8 4 0 n m ，输出功率是2 瓦，最小 光学脉宽是4 5 f s 。其中g a p 晶体的厚度是1 5 0 微米，激发装置是l t - g a a s 材料组成的光导天 线，其中g a a s 晶体的声子吸收频率在8 0 6 t h z ，g a p 晶体的声子吸收频率在l l t h z 。这样就 同时避开了g a a s 晶体和g a p 晶体中的声子吸收。这样就的到了谱宽达到了7 t h z 的频谱。实 验表明，t h z 脉冲的谱宽是由相位匹配和晶体中声子吸收共同决定的。 ； 要 写 星 拿 图1 8 实验频谱图 8 第一章引言 下面是一些文献中出现的四种常用到的电光取样晶体中的横光学声子( t 0 ) 纵光学声 子频率( l o ) ： 表1 一些晶体的横光学声子( t o ) 纵向光学声子频率( l o ) 声子频率 晶体名称 z n t eg a a si n pg a p 横光学声子( t o ) 频率 5 3t h z8 0 6t h z9t h z1 1t h z 纵光学声子( t o ) 频率 6 2t h z6 2t h z 从表1 中我们可以看到迄今为止常用到的四种电光晶体中g a p 晶体的横光学声子频率 最高，因此比较有应用前景。 1 5 载流子寿命的研究意义 在超短脉冲激光技术特别是在飞秒激光技术的推动下，形成了飞秒物理学、飞秒化学、 飞秒生物学等前沿学科。在飞秒物理学方面，飞秒脉冲激光与纳米显微术的结合使人们 可以研究半导体纳米结构( 量子线、量子点、纳米晶体) 的载流子动力学，包括半导体中 瞬态电子在高电场中的输运，灼热电子的弛豫和隧穿及光与物质相互作用的动力学，广泛 用于研究半导体、量子阱材料、纳米材料的各种瞬态性质。对于载流子寿命的研究是一 项比较成熟技术。中科院半导体所对于晶体超快动力学的研究已经有了较大的进展。载流 子的激发和弛豫可大致分为五个过程：载流子激发和重新分布、热化和冷却、载流子一晶 格热化、载流子复合和扩散、热结构效应。这些过程并没有严格的顺序，在时间上可能是 重叠的。载流子寿命对于1 r i z 的时域波形以及t h z 的频谱宽度都有较大的影响，一般说 来载流子寿命越短，t h z 的频谱宽度越宽。因此，载流子寿命是衡量电光晶体性能的一项 重要的参数。 1 6 本论文的主要工作及其意义 在电光取样探测和光导天线技术中对于探测晶体的选择是非常重要的。探测晶体本身 的性质是影响探测效率和有效探测范围的重要因素，在这些因素中晶体中的横光学声子吸 收引起了人们的重视。因为晶体中的横光学声子吸收频率在0 1 0t h z 附近，当t h z 脉冲进入 探测晶体中时，如果t h z 脉冲的实际频率分布靠近晶体中的横光学声子频率，由于声子共 振吸收效应会使所探测到的t i - i z 光谱产生缺陷。考虑到这些因素，应当选择横光学声子频 率较高的晶体，但是由于同时还应考虑其它的因素，像电光取样系数、相位匹配等因素的 第一章引言 影响，使得探测晶体的选择变得复杂起来。要使探测的效率最高，应综合考虑各方面的因 素。本论文根据相关的原理和公式建模，用m a t l a b 程序编程模拟了在t h z 探测中各种因素的 影响。 在实验中，对于低频t h z 脉冲的探测，经常选择z n t e 晶体作为探测晶体，这是因为z n t e 电光晶体在灵敏度、探测带宽和稳定性等方面的性能优于其它晶体。但是由于晶体中在 5 3 t h z 处存在横光学声子吸收，使得靠近这个频率的t h z 脉冲由于相互作用而被衰减，因 此其探测的最大频率范围为0 5 t h z 。要想探测频率分布更宽的t h z 脉冲，必须选择横光学 声子频率较高的晶体，同时在电光取样系数，相位匹配方面表现较好的晶体。在国外，用 g a p 晶体代替z n t e 晶体，使其有效探测频率范围扩展n o 7t h z l 5 伽。 通过对以上物理情景的模拟，我们可以深层了解与t h z 探测相关的物理机制。以便从 一些方面对t h z 探测晶体的性能加以改进，从而得到较宽的t h z 频谱，这对扩展t h z 光谱技 术的应用有较大的意义。 1 0 第二章探测晶体性能对t h z 探测的影响 第二章探测晶体性能对t h z 探测的影响 2 1 物理机制及相关公式介绍 对于t h z 脉冲的探测一般有两种方法：光导天线或线性电光效应( 电光检测) 。t h z 辐 射是具有一定波长范围的超短脉冲，它在空间传播的时间和空间特性不同于连续准单色激 光光束，将会出现一些新的现象如：脉冲时间延迟，脉冲加宽，频率红移等。分析t h z 脉 冲时应当将脉冲的每一个频谱分量单独处理，然后用逆傅立叶变换得到空间时间域的传播 方程，来分析超短脉冲光在介质中的传播特性以及光学元件对光束传播的影响【6 0 1 。在t i - i z 脉冲的实验研究中人们发现t h z 脉冲的时间波形在不同的探测系统中具有不同的形式，甚 至它的表现形式还会随着实验的具体设置形式而变化【6 1