（物理电子学专业论文）太赫兹波的屏蔽效应和光电导天线电极的理论研究.pdf

摘要 论文题目：太赫兹波的屏蔽效应和光电导天线电极的理论研究 学科专业：物理电子学 研究生：王珂 签名：j 珥 指导教师：施卫教授签名：丢玺基 摘要 本文详细介绍了太赫兹电磁波的特性，以及近年来在时域光谱、成像、信息技术领域 的应用，和太赫兹波的各种产生、探测的方法和基本原理。 接着对我们自行研发的高功率太赫兹光电导天线和耐压设计进行了概述。实验证明， 经过耐压设计的光电导天线，在相同的触发光能下，能够加载更高的偏置电压，辐射出的 t h z 电磁波的强度有很大的提高。 文中在利用光电导天线辐射t h z 波的电流瞬冲模型的基础上，分析了屏蔽效应，时 变的迁移率和电导率，以及激发光脉冲这些因素对t h z 近场和远场时域波形的影响。改 进了电流瞬冲模型，采用蒙特卡洛模拟方法对s i g a a s 光电导天线辐射太赫兹波电场屏蔽 效应进行模拟分析，分析了触发光能量和电极间隙对光电导天线辐射太赫兹的影响。 当在固定外界条件不变的情况下，光电导天线辐射的太赫兹波强度与电极所加偏压成 正比，而天线的电极形状发生改变或加有补偿角时，天线所辐射的太赫兹波的幅值会有明 显的变化。本论文给出了一种计算方法，并对形状改变后的电场分布进行了计算，并优化 了电极形状。所得到的计算结果表明，电极间的电势分布受电极宽度、电极间隙、补偿角 的角度参数所影响。电势与电极宽度成正比，电极间隙需要与前面的结论共同考虑，而所 加的补偿角是影响电势分布的关键，在考虑电极不被击穿的前提下，有补偿角的电极比没 有补偿角的电极所辐射的太赫兹幅值要强的多。 关键词：光电导天线；太赫兹波；电极设计 本课题由国家自然基金( n o 1 0 3 9 0 1 6 0 ，1 0 3 7 6 0 2 5 ，和5 0 4 7 7 0 1 1 ) 和国家科技部重大 基础研究项目( n o 2 0 0 4 c c a 0 4 5 0 0 ) 项目资助。 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：s t u d y i n go fs c r e e n i n ge f f e c ta n dp h o t o c o n d u c t o r a n t e n n ae l e c t r o d e s m a j o r ：p h y s i c a le l e c t r o n i c s n a m e ：a n gk e s u p e r v i s o r - p r o f s h iw e i a b s t r a c t s i g n a t m ：丝也 s i g n a t u r e ： 己坳吣 i nt h i sp a p e r , t h ec h a r a c t e r so fn zw a v e ，t h ep r o g r e s so ft h zt i m ed o m a i ns p e c t r u m d e t e c t i o n , t h zi m a g i n ga n dt h ea p p l i c a t i o n s ，a n dt h em e t h o d so fg e n e r a t i o na n dd e t e c t i o nw e r e i n t r o d u c e di nd e t a i l t h e nt h eh i g hp o w e ro ft h ep h o t o c o n d u c t o ra n t e n n a sa n dt h ed e s i g nt oi m p r o v et h e m a x i m a la p p l i e dv o l t a g ew a si n t r o d u c e d b yc o n t r a s t i n gt h ed e s i g n e da n t e n n a sa n dt h eb a r e a n t e n n a sb ye x p e r i m e n t s ，w ef o u n dt h em a x i m a lb i a s e dv o l t a g ea n dt h er a d i a t e dn 也si n t e n s i t y o ft h ed e s i g n e da n t e n n ac a nb eg r e a t l yi m p r o v e dw h e nt r i g g e r e db yt h es a m ee n e r g yl i g h tp u l s e o u rs t u d i e db a s e do nt h ec u r r e n ts u r g em o d e lo ft e r a h e r t zr a d i a t i o nt h ei n f l u e n c eo f s c r e e n i n go ft h eb i a sf i e l d ，t h ee x c i t i n go p t i c a lp u l s e ，t i m e d e p e n d e n ts u r f a c ec o n d u c t i v i t ya n d t i m e - d e p e n d e n tm o b i l i t ya r ea l s ot a k e ni n t oa c c o u n ti nt h em o d e lt od e s c r i b et h et e r a h e r t z r a d i a t i o nf r o mp h o t o c o n d u c t o ra n t e n n a s ，a n dt h e ni m p r o v e dt h ec u r r e n ts u r g em o d e l t h e nt h e s c r e e n i n ge f f e c to ft h et e r a h e r t zr a d i a t e df r o mp h o t o c o n d u c t o ra n t e n n a sw a ss i m u l a t e db yt h e m e t h o d so fm o n t ec a r l o ，a n dt h ei n c i d e n tl i g h te n e r g ya n de l e c t r o d e sg a pw e r ea n a l y z e d nt h ee n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n sw e r ef i x e do na n di n v a r i a b l e ，t h et e r a h e r t zr a d i a t i o n w a sd i r e c t l yp r o p o r t i o n a lt ot h eb i a sf i e l d w h e nt h es h a p ea n dt h eo f f s e to ft h ee l e c t r o d e so f p h o t o c o n d u c t o ra n t e n n a sc h a n g e d ，t h et e r a h e r t za l t e r e de v i d e n t l y i nt h i sp a p e r , am e t h o dt o c a l c u l a t ee l e c t r i cf i e l do ft h ed i f f e r e n c es h a p eo ft h ee l e c t r o d e sw a si n t r o d u c e da n dt h es h a p eo f e l e c t r o d e sw e r ei m p r o v e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee l e c t r i cf i e l do ft h ee l e c t r o d e sw a sa f f e c t e d b yt h ew i d t h ，t h eg a pd i s t a n c e ，a n dt h eo f f s e ta n g l eo ft h ee l e c t r o d e s e l e c t r i cp o t e n t i a lw a s p r o p o r t i o n a lt ot h ew i d t ho ft h ee l e c t r o d e ，a n dt h ed i f f e r e n to ft h eo f f s e ta n g l ec o r r e s p o n d 、 ，i 也 t h ed i f f e r e n te l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i n g ，t h eo f f s e to ft h ee l e c t r o d e sw a si m p o r t a n tf a c t o r a st h e a n t e n n a sw a sn o tb r e a k d o w nb ye l e c t r i cf i e l d ，t h ei n t e n s i t yo ft e r a h e r t zr a d i a t i o nf r o mt h e a n t e n n aw i t ho f f s e tw a sb e t t e rt h a nn o t a b st r a c t k e yw o r d s ：p h o t o c o n d u c t i v ea n t e n n a ；t e r a h e r t zw a v e ；d e s i g no f t h ee l e c t r o d e s t h i sr e s e a r c hi ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( g r a n tn o 1 0 3 9 0 1 6 0 ， 1 0 3 7 6 0 2 5 ，a n d5 0 4 7 7 0 11 ) a n dt h es p e c i a lp r o g r a mf o rk e yb a s i cr e s e a r c ho ft h em i n i s t r yo f s c i e n c ea n d t e c h n o l o g y ，c h i n a ( g r a n tn o 2 0 0 4 c c a 0 4 5 0 0 ) 独创性声明 秉承祖囤优良道德传统和学佼的严道学风郧重l f 明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文巾不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名： 量垦雪丝为踔罗月纳 学位论文使用授权声明 本人互重l 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 、j 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位沦文著作权拥有者，同意授权 l ! | i 安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校町以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图二牿馆资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位沦文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：弦亟刍 导师签名： 纠年乡月眵日 第1 章太赫兹简介 1 太赫兹简介 1 1 太赫兹电磁波概述 太赫兹电磁波( t e r a h e n z ，t h z ) 通常指的是频率在0 1 t h z 1 0 t h z ( 波长在3 m m 3 0 l a i n ) 之间的电磁波，其波段在微波和红外之间，属于远红外和亚毫米波范畴。在2 0 世纪8 0 年代中期以前，由于缺乏有效的产生方法和探测手段，科学家对于该波段电磁辐射性质的 了解非常有限，所以在相当长的一段时期，很少有人问津电磁波谱中的这一波段，以至于 形成远红外和亚毫米波空白区，也就是太赫兹空白区，如图1 1 所示。 群蒸铤器拿端黧躞爨挚鬻 m i c r o w a v e sm m w a v et e r a h e r t zi n f r a r e d o p t i c a l f r e q u e n c y 1 0 g h z1 0 0 g h zo j1t h z ：一= _ ：11 0 t h z1 0 0 t h z 彰：。j 一，、，：? ，? 熏 7：，z w a v e l e n g t h ( m m ) t - 广二_ r - r _ - 广一 3 0 3 j ，0 3 蔓0 0 3 0 0 0 3 螽 ，i ：，_ i i w a y e n 砌b e r ( c 盯1 ) _ 1 r 1 _ 产_ t _ r 下一 0 3 3 3 3 麓：彦3 3i o 3 3 3 3 3 3 3 4 1 3 5 x l o s 4 1 3 5 x 1 0 - 4 萋4 1 3 5 x 1 0 - 3 孝0 0 4 1 3 50 4 1 3 5 塑e 嘲，! 乡卜+ _ + - 二- + 卜 e n e r g y ( j ) 6 6 2 5 x 1 0 - u6 6 2 5 1 0 - , t 6 6 2 5 x l 伊篮每6 6 2 5 x 1 0 4 16 6 2 5 x l 驴撕 o - 、t 一| 。二；j ：j t e m p e n t u n0 0 1 - 广- 1 _ - r 广 0 4 7 9 74 7 9 7 够4 7 9 7 搿4 7 9 7 4 7 9 7 7 ；，：? o oj 荔j cj 。：- ，j j 0 7 ：j j 一：毫j ：i 奢巷 图1 - 1 电磁波频谱图一1 f i g i 1s p e c t r u mo f t h ee l e c t r o m a g n e t i cw a v e 8 9 1 近十几年来，随着超快激光技术的迅速发展，为太赫兹脉冲的产生提供了稳定、可靠 的激发光源，使太赫兹辐射的产生和应用得到了蓬勃发展。物质的太赫兹谱非常重要，包 含着丰富的物理和化学信息。同时，太赫兹辐射的优点决定了它在很多方面可以成为傅立 叶变换红外光谱技术和x 射线技术的互补技术，太赫兹辐射在很多基础研究领域、工业 应用及军事应用领域有广阔的发展前景。它在生物学、医学、微电子学、农业及安全检查 领域也有很大的应用潜力 1 - 1 2 。 t h z 技术之所以引起人们广泛的关注，首先是因为物质的t h z 光谱( 包括透射谱和反 射谱) 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结构的探 索具有重要意义；其次是因为t h z 脉冲光源与传统光源相比具有很多独特的性质： ( 1 ) 瞬态性：t h z 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 西安理工大学硕士学位论文 体、半导体、超导体、生物样品等) 进行时间分辨的研究，而且通过相干取样测量技术， 能够有效地抑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于1 0 1 0 ，远远 高于傅立叶变换红外光谱技术，而且其稳定性更好。 ( 2 ) 宽带性：t h z 脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆 盖从g i - i z 到几十个t i - i z 的范围，便于在大的范围里分析物质的光谱性质。 ( 3 ) 相干性：t h z 脉冲的相干性源于其产生机制。它是由相干电流驱动的偶极子振荡 产生，或是由相干的激光脉冲通过非线性光学差频效应产生。t i - i z 脉冲的相干测量技术 能够直接测量t h z 辐射电场振幅和相位，可以直接提取样品的折射率、吸收系数等参数。 ( 4 ) 低能性：t h z 光子的能量只有几个毫电子伏特，与x 射线相比，不会因为电离而 破坏被检测的物质。 ， ( 5 ) t i - - i 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 很强的穿透力，可用来对已经包装好的物品进行质量检查或者用于安全检查。 ( 6 ) 大多数极性分子如水分子、氨分子等对t i - i z 辐射有强烈的吸收，可以通过分析它 们的特征谱研究物质成分或者进行产品质量控制。同时，许多极性大分子的振动能级的间 距和转动能级的间距正好处于t h z 频带范围，使t h z 光谱技术在分析和研究大分子方面 有广阔的应用前景 1 2t i z 电磁波的应用 1 2 1 利用频谱的应用研究 频谱的应用研究每种分子都有特定的振动能级和转动能级，对太赫兹波产生特定的吸 收。研究生物组织和化学物质的特征谱，能够用来鉴别化学成分。现在已经研究过的有甲 基氯化物和甲基氟化物的太赫兹吸收谱或透射谱、甲烷与空气混合燃烧时火焰的吸收谱、 火焰中的热水蒸汽的吸收谱。虽然目前研究工作进行得不够多，但是己经显示出巨大的应 用潜力，将来可以进行疾病诊断、环境监测、产品质量监控等许多方面的应用n 2 j 3 “钉。 1 2 2 利用时域光谱技术 对相干太赫兹波与物质相互作用，通过振幅和相位变化的测量，可以表征固体、液体 和气体材料的电子、晶格振动和化学成分等性质。可以研究材料的吸收系数、折射率、介 电常数、频移等性质。许多对可见光不透明而对x 光完全透明的物质，可以用太赫兹波 进行测量。例如太赫兹波透过纸张后，振幅和相位均会发生变化，据此可以计量书本的页 数和钞票的张数。把太赫兹波的发射和接收在同一器件上实现、制成收发机可以用来测量 距离、传递信息，成为一种通讯工具。利用太赫兹波可以透过很多电介质这一特性，可以 应用于安全检查和无损检测| 1 5 - 2 2 | 。 2 第1 章太赫兹简介 1 2 3t h z 成像技术 n z 辐射作为一种光源和其他辐射( 如可见光、x 射线、中近远红外、超声波等) 一样 也可以作为物体成像信号源。t h z 辐射成像的基本原理是：利用成像系统把成像样品的透 射谱或反射谱所记录的信息( 包括振幅和相位信息的二维信息) 进行处理和分析，就可以 得到样品的1 1 z 图像。利用透射扫描或者反射扫描都可以成像，主要取决于样品及系统 的性质。 z 辐射成像与x 射线成像相比，1 1 z 辐射的光子能量极低( 只有几个毫电子 伏特) ，可以用来对人体或物品进行无损成像。n z 对于电介质材料及塑料、纸箱等包装 材料有很强的穿透力，可用来对已经包装的物品进行成像。1 r i z 辐射对水的穿透力很差， 可以通过测量物质中的水分含量来控制质量，如对于己经包装好的食品，可以通过测定食 品的水分含量来确定其新鲜程度。通过对肉制品的t h z 检测发现瘦肉对t h z 辐射吸收很 强，而脂肪几乎不吸收t h z 辐射，利用此特性可以对肉制品进行质检。另外，通过测量 t h z 光谱，不仅可以得到物体光谱的强度( 振幅) 信息，还可得到其相位信息，因而可 以用来对物体进行三维立体成像。目前，t h z 显微成像的分辨率可以达到几十微米，能 清晰地看到皮肤中的肿瘤，可用于进行皮肤癌的诊断。总体看来，t h z 技术研究仍然处 于初级阶段，尤其是在生物医学方面的应用仍有很多困难，存在许多函待解决的问题。 1 2 4 应用t h z “雷达一技术进行敏感探测 ，n z “雷达 技术是利用来自目标各层次界面反射的t h z 电磁波的波形和时间差信 息，探知目标或探测其内部形貌。由于耵 z 辐射具有比微波更短的波长以及更为精确的 时间检测装置，- n z “雷达 技术可以比微波雷达探测更小的目标和实现更精确的定位， 因而 z “雷达技术有望在军事装备的实验室模拟研制、安全监测和医学检验上发挥 其潜力。在实验室，已经利用t h _ z “雷达技术对动物组织的烧伤进行了探测，并且可 以对烧伤深度和程度做出标定，以辅助诊断皮肤的烧伤程度。 综上所述，作为一种新兴的光谱分析手段，t h z 技术由于光源本身和探测技术所具有 的特点，在时域光谱研究等领域正呈现出蓬勃的发展趋势，在基础研究、信息和光电子材 料的检测、化学和生物样品的分析鉴定、生物医学、物体内部断层探测，乃至现代通信技 术等领域都展现出巨大的应用潜力。 1 3 太赫兹电磁波的产生 t h z 波位于传统的电子学与光学的交界处，这就意味着电子学方法、光学方法，或 者是二者相结合的方法都可以运用到t h z 波的产生和探测中。例如，t h z 波可以通过光 学降频或光电导方法产生，1 r i z 辐射可以利用天线或微波波导在自由空间中传播。同时， 也可以通过纯光学或纯电子学的方法产生或接收t h z 波，例如激光或电子振荡器或放大 3 西安理工大学硕士学位论文 器。 下面将分析t h z 产生和探测中的主要方法和技术。因为t h z 技术中最迫切需要解决 的问题是寻找小型化的，能够产生大功率辐射的连续波t h z 源。所以下面将重点描述t h z 辐射的产生方法舯7 巍3 0 l 。 1 3 1 光电导产生宽频t h z 光电导方法是利用超短激光脉冲触发光电导材料( 如g a a s ，i n p ，s i 等半导体) ，使 在其表面激发载流子，这些载流子在外加电场作用下加速运动，从而辐射出t h z 电磁波。 用光电导方法产生t h z 电磁辐射发射系统的性能决定于三个因素：光电导体、天线几何 结构和触发激光脉冲宽度。光电导体是产生t h 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。常见的光电导体 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g a a s 材料，包括半绝缘g a a s 和低 温生长g a a s 。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。 1 3 2 从半导体表面产生t h z 从裸露的半导体表面产生t h z 波是基于很多半导体的表面状态被完全占用。于是靠 近半导体表明与空气交界处的费米能级被牵制，导带和价带发生弯曲，从而产生一个耗尽 区和一个表面强电场。这个电场与交界面垂直，代表值为1 0 5 v c m 。当一个光子能量大于 半导体带隙的超短入射光脉冲照射半导体表面时，入射的光载流子在半导体表面耗尽并由 表面电场加速，结果便产生一超短瞬态电流，进而辐射出位于t h z 频率的电磁波。所产 生的t h z 波可通过改变激发脉冲的入射角进行调整。很多半导体如i n p , g a a s ，g a s b ，i n s b ， 等都己用于这种方法产生t h z 辐射。与光电导效应的方法相比，这种方法不需要外加偏 转电场，也不需要天线。 1 3 3 利用光参量变换产生t h z 连续可调的t h z 波可以通过非极性晶体中极化散射引起的参量光散射而获得。光学 非线性晶体如l i n b 0 3 或掺m g o 的l i n b 0 3 在被近红外范围的纳秒脉冲激光强烈激发时会 产生受激极化散射。这种激光脉冲频率为t h z ，能量范围为2 0 5 0 m j 。频率为p 的泵浦 光激发一个由位于2 个镜子间的非线性晶体组成的腔时产生不同频率咖的空载波，根据 关系t o p = o a i + t ，空载波与泵浦波差频作用从而产生t h z 波。t h z 波通过一块硅棱镜 从腔里外部结合。因为极化声子在包含t h z 区域的低频范围内的行为与光子相似，所以 这种参量过程是可能的。在过程中，动量被保存下来，这就迫使相位匹配条件k p = k l + k t m 的满足，这意味着t h z 频率可以通过改变泵浦光的入射角进行调整。 4 第1 章太赫兹简介 1 3 4 太赫兹量子级联激光器产生t h z 基于半导体的全固态t h z 量子级联激光器( q u a n t u mc a s c a d el a s e r sq c l ) ，虽然从第一 个t h zq c l 制备成功到现在只有几年的时问，但器件的工作温度、输出功率等性能已经 得到了非常大的改进和提高。与传统的激光器相比，q c l 有两个主要特点，首先，它是 一种子带间的单极器件，它只利用了电子在不同子带间的跃迁来辐射出光子，而不考虑空 穴的输运；其次，它是一个级联的结构，有几十甚至一百多个重复的周期组成，电子在每 个周期内重复释放光子，这样就提高了器件的输出功率。q c l 的每个周期可以分为注入 区、有源区和弛豫区三部分。注入区把电子从上一个周期注入到下一个周期，电子在有源 区内辐射出光子，同时从高能级跃迁到低能级，最后电子在弛豫区中被抽取并注入到下一 个周期中，重复以上的过程这样一个电子就可以辐射出多个光子。 1 3 5 利用等离子体波产生t h z 等离子体波是电子密度在时间和空间的振荡，在深亚微米场效应管中，典型的等离子 体频率，正好位于t i - i z 范围，且不包括任何量子跃迁。因此，利用等离子体波来探测和 产生t h z 振荡是很有希望的一种方法。 用超短激光脉冲在稀薄等离子体中激发大振幅的电子等离子体波，称为激光尾波场。 由于其极大的纵向电场，它在新型粒子加速器等方面有着诱人的应用前景。这种大振幅等 离子体波的典型振动频率在太赫兹附近。虽然在等离子体中可以激发大振幅的等离子体 波，但由于它是静电波，具有与电磁波完全不同的色散关系，因此一般不能从中产生辐射。 等离子体波的色散关系为2 = 砰+ 3 k 2 v 2 c ，等离子体中电磁波的色散关系为c 0 2 - - c 0 0 2 + 3 k 2 c 2 。在均匀等离子体中激发的等离子体波的波数k i f l ) ，因此一般不可能产生模式转换 现象。但在不均匀等离子体中，由于等离子体波在各处的振荡频率不同，由此导致等离子 体波数随时间和空间发生变化。在某些时刻波矢k - - 0 ，这样等离子体波的色散关系和等离 子体中电磁波的色散关系重合，等离子体波就可能转换成电磁波。这种转换方式被称为线 性模式转换。但波数为零还不是产生模式转换的唯一条件。由于等离子体波是静电纵波， 而电磁波是横波，如果两者传播方向一样，则它们的电场方向相互垂直，因而也不能产生 模式转换。如果入射激光的方向和等离子体密度梯度方向有一个夹角，那么可以造成两者 的电场分量部分地平行，线性模式转换就可以发生。对于1 0 1 7 w c m 2 的入射激光强度，可 以产生电场强度达到g v m 、频率在十几太赫兹的辐射，其瞬时功率高达几十兆瓦，脉宽 在几十皮秒量级，能量为几十个微焦耳。这个辐射除了可以作为强太赫兹辐射源之外，它 还可以用来诊断等离子体波的振幅。 5 西安理工大学硕士学位论文 1 4 探测 1 4 1 光电导天线取样 光电导采样基于光电导效应，利用光生电流与外加t h z 辐射场场强的线性关系来测 量t h z 辐射脉冲的波形。不加偏置电压的光导天线放在t h z 脉冲光路上，同时让激光器 产生的探测脉冲通过光电导天线，在没有t h z 脉冲时，锁相放大器探测到的信号为零， 当t h z 脉冲通过光导天线时相当于给光导天线加了一个偏置电压，从探测器上探测到的 光电流大小与t h z 辐射场成比例。由于探测脉冲的脉宽远远小于t h z 脉冲的脉宽，可以 通过调节两个脉冲的时间延迟对t h z 脉冲进行取样。 光电导采样测量的不足之处在于它的响应速度制约于采样天线的谐振特性和光生载 流子的寿命。一般而言，光脉冲的脉宽远远小于光生载流子寿命，测量一个脉宽为皮秒的 t h z 辐射脉冲，用一个比它更宽的光电流脉冲采样，获得的结果将使整个t h z 辐射脉冲 的平均值。因此光生载流子寿命的影响更大一些。如果忽略电路中的r c 时间常数的影响， 光生载流子浓度的上升时间主要由飞秒采样激光脉冲的脉冲宽度决定，而下降时间则由光 生载流子寿命和载流子通过电场区的时间决定。为了减少载流子寿命，一般是在半导体中 引入适当的缺陷，形成复合中心，加速载流子复合。现在采用的是在蓝宝石上外延半导体 ( s i ，g a a s 等) 和用x 射线辐射损伤半导体等技术，以期提高测量响应率和分辨率。减少 载流子寿命的另一个方法是减少载流子的传输时间，传输时间受电极缝隙长度、偏压大小 及迁移率的限制，减少缝隙长度并使电场接近饱和电场是减少传输时间的典型方法，因此 光电导电极缝隙一般为几个到几十个微米。光电导天线的探测带宽较窄，一般在2 t h z 以 下。 1 4 2 电光取样探测技术 尽管光电导偶极天线在t h z 辐射脉冲的测量中扮演了非常重要的角色，并且在目前 还有所应用，但其在测量中所具有的以下缺点迫使科学工作者们寻求更为精确的测量方 法。其缺点主要有：本身所具有的偶极结构的共振行为制约了它的响应速度，其共振频率 由偶极长度决定；由硅棱镜耦合的光电导偶极天线所测量的t h z 辐射波形对实验布局非 常敏感，因此，直接获得t h z 场的振幅与相位信息是非常困难的，这就使得光电导偶极 天线并不适合于场与物质相互作用的研究。而电光探测作为一种测量t h z 辐射的技术得 到了广泛的好评，其主要原因有以下两点：1 电光物质在商业上是很容易得到的，而光电 导天线需要超精细加工技术加工后才能得到；2 电光探测适合于探测宽带的t h z 信号， 这远远大于光电导天线所能探测的带宽淄瑚1 。 电光取样探测技术应用的是线性电光效应又称帕克尔斯效应，即电光晶体的折射率与 外加电场成比例的改变现象，是光整流效应的逆效应。通过电光取样技术可以得到t h z 6 第1 章太赫兹简介 电磁辐射场的真实波形。 探测脉冲和t h z 脉冲共线的入射到电光晶体上，入射的t h z 脉冲通过帕克尔斯效应 引起晶体的双折射，在晶体中产生的双折射使探测脉冲的偏振方向发生偏转，光电探测器 探测到的强度与，n z 脉冲的场强成比例，由于，m z 脉冲的脉宽( 几p s ) 远远大于探测激 光脉冲的脉宽( 几十f s ) ，则t h z 电场可被近似的看作直流偏置电场，因此，通过改变t h z 脉冲与光探测脉冲间的时间延迟，就可得到t h z 脉冲的整个时间波形。 由此可见，电光采样技术是一个纯光学的测量过程，克服了光电导采样技术中光生载 流子寿命的限制，具有以下优点： ( 1 ) 具有更快的响应速度： ( 2 ) 具有更高的灵敏度和分辨率；在光电导采样中，采样门宽决定与光电导开关的 响应时间，对于输入的被测信号，其分辨率是开关响应与被测信号的卷积；而在电光采样 中，飞秒光脉冲作为采样门，因此电光采样的时间分辨率要优于光电导采样； ( 3 ) 具有更小的噪声；电光采样技术避免了光电导半导体探测器中的各种热噪声； ( 4 ) 具有更大的测量带宽； 当然，电光采样技术作为一种纯光学的测量方法，不可避免的存在色散、群速度失配 等问题。 1 5 本论文的主要工作 本论文在前人分析电流瞬冲模型的基础上，考虑了屏蔽效应，时变的迁移率和电导率， 以及激发光脉冲这些因素的影响。详细地分析了用光电导天线辐射太赫兹电磁波时的空间 电荷和辐射电场屏蔽效应，并利用得到的理论模型，采用蒙特卡洛模拟方法对s i g a a s 光电导体辐射太赫兹波的屏蔽效应进行模拟分析。 在光电导天线的电极对辐射太赫兹波的影响方面，光电导天线辐射太赫兹场峰值与电 极间隙尺寸之间存在倒数平方的关系，即电极间隙越小，天线辐射的太赫兹远场峰值越大。 但是实验过程中我们应该考虑到间隙越小，天线的耐压性越弱。此外，不同的电极形状对 光电导天线所辐射的太赫兹功率也有较大的影响，当在固定外界条件不变的情况下，光电 导天线辐射的太赫兹波强度与电极所加偏压成正比，而天线的电极形状发生改变或加有补 偿角时，天线所辐射的太赫兹波的幅值会有明显的变化，本论文给出了一种全新的计算方 法，并对五种形状的电极的场分布进行了计算。 7 西安理工大学硕士学位论文 2 光电导天线的耐压设计和实验介绍 2 1 光电导天线介绍 太赫兹光电导天线是基于半导体光电导效应和超短激光脉冲技术研制而成的一种新 型超高速光电开关器件，其响应速度在p s 量级。光导开关的工作原理是通过开关内部光 生载流子对光电导体电导率的控制来工作的。 以一块高电阻半导体薄片作为芯片材料( 半绝缘g a a s 和低温生长g a a s 等) ，在其两 端镀上a u ，a l 等金属或a u g e n i 合金制作电极，形成欧姆接触；电极中间留有一定宽 度的缝隙，把此薄片材料放置在微带传输线的衬底上( 微带传输线特性阻抗设定为5 0 欧 姆) ，通过同轴电缆接头形成开关的输入输出端，再用绝缘介质保护并封装，这就构成了 一个基本的光电导开关。光导开关的一端通过一段充电传输线与一直流电源相连，另一端 通过传输线与一匹配负载相连。开关一般处于直流高压脉冲偏置状态，当未用激光脉冲照 射开关电极间隙区域时，由于高阻半导体的电阻( 1 0 4 1 0 8q c m ) 非常大，暗电流非常小， 相当于开关处于断开状态，开关的另一端没有电脉冲输出；当超短激光脉冲照射开关电极 间隙区域时，被吸收的入射光子可在高阻半导体芯片材料中产生电子一空穴对，即在极短 的时间内，开关芯片电极间隙区域被光激励产生了大量的自由载流子( 密度超过1 0 2 0 c m 。3 ) ，促使高阻半导体芯片材料的电导率迅速提高，电阻急剧下降，仅有几个欧姆，甚 至更小，开关处于导通状态，电信号通过开关向另一端传输线输出；超短激光脉冲过后， 光激发载流子在极短的时间内复合，半导体芯片材料恢复高阻状态，开关断开。这样就可 以通过超短激光脉冲控制来实现开关的导通和关断。 光电导天线辐射太赫兹时，天线包括基本的赫兹偶极子天线、共振偶极子天线、锥形 天线以及大孔径光导天线等。还有通过设计金属电极的形状制成对数螺旋天线、对数周期 天线等超宽带天线，这些天线可产生具有较宽频率范围的t h z 辐射。采用超宽带天线发 射t i - i z 电磁波能够取得较高的发射效率，波束的极化方向可以用天线控制。这种方法效 率高、极化方向好，而且可以用功率较小的阵列半导体激光器触发，适合于全固态小体积 t h z 源的应用，也可制成良好的t h z 电磁波探测天线。其缺点是受天线设计限制，难以 获得大激励电流，产生的t h z 辐射功率较小啪 。 t h z 天线阵列是将多个t h z 天线组成阵列，每阵元可以是偶极天线，也可以是螺旋 天线等等，但必须类型、尺寸、辐射特性等完全相同。天线阵的辐射场由诸阵元辐射场在 空间干涉形成。天线阵可以获得大发射功率和较好的方向性。其波束方向可以通过调节各 阵元辐射电场相位的方法调节。 大多数实验中采用了基本偶极子天线，如图2 - 1 所示。这大概是由于基本偶极子天线 相对不太复杂，因而是研究最透彻的一种结构，光电导偶极天线由2 部分组成，即t ( 1 ) 8 第2 章光电导天线的耐压设计和实验介绍 平面偶极子，( 2 ) 光电导天线芯片。 由于工作时输运的电流密度较大，因而外电路与天线芯片的接触在器件的设计中就显 得非常重要，它决定着天线的工作性能和寿命。实验中所用天线材料为s i g a a s ，所以在 制作欧姆电极时要求比较严格，尤其在合金成分的配比上。电极材料与制各方法随天线芯 片的不同而不同。这里芯片材料为s i g a a s 一般用a u g e n i 合金来制作欧姆电极若芯片 材料选用s i ，则一般选用a f a u 合金来做欧姆电极。 s i 批 g a a s 一一卜_ 苫nc 阿 p 多二 、；翻、j 盘：历、；j 哆气、纠 图2 1 条形电极结构g a a s 光电导偶极芯片示意图a ) 涂层天线，b ) 封装天线。3 1 f i g 2 - ls t r i p l i n es t r u c t u r eo fg a a sp h o t o c o n d u c t i v ed i p o l ec h i p a ) c o a t e da n t e n n a , ” s e a l e da n t e n n a 【3 j 2 2 光电导偶极天线的耐压设计 t h z 电磁波辐射的能量主要是来源于以偏置静电场的形式储存的表面能，即受偏置 电场和激光器的光强影响。在天线材料和激光光强一定的情况下，如果天线两端的偏置电 压越高，t i - i z 辐射的强度就越高。 虽然g a a s 的本征击穿电场强度高达2 5 0 k v e m ，但在实际光电导天线中有多种因素导 致天线材料在电场强度远小于2 5 0 k v e m 时已经击穿损坏，如表面闪络、电极的结构与形 状、热击穿等等。天线的暗态维持电压也不仅仅是由电极之间的间隙大小来决定。在不加 任何绝缘保护措施的情况下，天线材料的表面闪络强度小于1 0 k v c m 。通常天线的耐压能 力与半导体芯片材料、芯片的几何形状、天线电极的结构与形状以及所采取的绝缘保护措 施有关1 3 8 - 4 1 。 ( 1 ) 电极制作及圆角处理 9 _ 弓 西安理工大学埘士学住论文 用电子束蒸发工艺淀积厚度为9 0 0d m 的a u o e n i 合金电极( 条形天线) ，经退火处理 与0 a a s 晶片形成欧姆接触。电极的几何形状直接影响光电导天线的耐压能力，采用圆角 形状的电极结构可以避免局部放电而导致的击穿。电极尺寸为6m m x 3m m ，圆角半径为 1 1m m ，两电极间隙为3 0 m m 。 ( 2 ) 天线的绝缘保护 对电极间隙为15n u n 的g a a s 光电导天线，用s f 6 气体绝缘保护时，击穿强度为2 62 k v c m ，用绝缘油时击穿强度仅为2 0k v e r n ，最好的实验结果是在高纯水绝缘条件下获得 的，其击穿强度达1 4 3k v e m 。但是气体和液体绝缘方式使天线的制作复杂，而且在实际 应用中有诸多不便。 我们自行研制开发了一种新型绝缘封装技术，即用s 1 3 n a 及新型有机硅凝胶双层绝缘 固态透明介质对光电导偶极天线进行绝缘保护，第一层介质是s j 3 n 4 绝缘薄膜，与通常的 钝化保护层相同；第二层是有机硅凝胶，其绝缘强度太于2 8 9k v c m 。通过对有机硅凝胶 的透过率测定在3 6 0 1 2 0 0 n m 波长内的平均透过率约9 5 ，对触发光的吸收影响几乎 可以忽略，有良好的透光特性，而且还具有良好的绝缘特性。有机硅凝胶不仅具其暗态维 持电场强度达3 5k v c m ，高于s f 6 气体绝缘的实验结果。 整个实验装置由钛宝石飞秒激光器及作为太赫兹辐射装置的g a a s 光电导偶极天线、 作为太赫兹探测装置的电光晶体z n t e 和时间延迟控制系统组成，如图2 - 2 所示。 闰2 - 2 太赫兹探测装置1 f i g2 2p h o t o c o n d u c t i v ea n t e t f l l 8 t e r a h e r t zr a d i a t i o nd e v i c e “ 钛宝石飞秒激光器输出波为8 0 0 h m ，1 2 0 f s 的脉冲宽度，8 2 m 1 i z 的重复频率，输出 第2 章光电导天线的耐压设计和实验介绍 平均功率为1 2 w 。激光脉冲经过分束镜将光脉冲分为两束，即泵浦光和探测光。泵浦光 经过两个反射镜之后，通过由锁相放大器控制的斩波器可使光脉冲调节到所需脉宽，又经 光能量可调的激光脉冲衰减器，将光脉冲能量控制在1 0 到2 5 0 m w 之间连续变化。 经过仔细调整电压源偏置的光电导天线，使调制后的光脉冲正好照射到天线电极间隙 中心位置，并且光斑直径为1 2 m m 。从光电导天线辐射的太赫兹电磁波，被两个抛物形 反射镜聚焦到z n t e 电光晶体上。探测光通过计算机控制的延迟装置，也被抛物形反射镜 聚焦与泵浦光同时到达2 m m 厚的z n t e 晶体上。这样，由光电导天线辐射的太赫兹波就 可以被探测光脉冲调制。透过z n t e 晶体的探测光经四分之一波片( q w p ) 进入w o l l a s t o n 棱镜( w p ) ，分成寻常光o 光和非寻常光e 光，由探测器探测。差分信号经锁相放大器 放大，并由控制延迟装置的计算机同步采集得到可以得到光电导天线辐射的太赫兹波信 号。如果没有太赫兹脉冲信号，由探测器探测到的两束偏振光大小相等，通过锁相放大器 检测输出为零。当g a a s 光电导偶极天线发射太赫兹脉冲时，太赫兹脉冲与探测脉冲在电 光晶体z n t e 中相遇，探测脉冲的偏振态被太赫兹脉冲电场调制，在锁相放大器中产生与 太赫兹脉冲电场成比例的电流输出。通过时间延迟装置改变探测脉冲与太赫兹脉冲的光程 差，使探测脉冲在不同的时刻对太赫兹脉冲的电场强度进行取样测量，可以得到太赫兹辐 射脉冲的时域波形。 2 3 表面钝化光电导天线与裸片光电导天线辐射太赫兹波对比实验 测试的光电导偶极天线分别为经过s i 3 n 4 钝化的半绝缘g a a s 光电导天线( 如图2 - 1 ( a ) ) 和未经钝化的半绝缘g a a s 光电导天线( 裸片天线) ，电极间