激光器介绍PPT课件

1、太赫兹波探测器的研究背景及意义太赫兹波探测器的研究背景及意义宽频性：宽频性：0.1THz0.1THz10THz(30um10THz(30um3mm)3mm)。透视性透视性：对非极性物质有很强的穿透能力（对不透明物体进行透视成像）。对非极性物质有很强的穿透能力（对不透明物体进行透视成像）。安全性：安全性：1THz1THz光子的能量为光子的能量为4.1meV4.1meV，约为，约为X X射线光子能量的射线光子能量的1/1001/100（可用于旅客（可用于旅客 的安全检查）。的安全检查）。可用于物质的光谱分析：大量极性分子的振动和转动能级正好处于可用于物质的光谱分析：大量极性分子的振动和转动能级正好

2、处于THzTHz波频段。波频段。 目前太赫兹光源的辐射功率普遍都比较低，因此发展高灵敏度、高信噪比目前太赫兹光源的辐射功率普遍都比较低，因此发展高灵敏度、高信噪比的太赫兹探测技术尤为重要。的太赫兹探测技术尤为重要。4.太赫兹波探测器太赫兹波探测器第1页/共74页Bolometer： 4.2 K 容易受到各种热源的干扰容易受到各种热源的干扰 不便于携带不便于携带Pyroelectric Detector： 低速低速 Golay cell： 灵敏度较差灵敏度较差 探测效率较低探测效率较低Schottky Diode： 0.1 THz 1 THzRoom temperatureHigh respon

3、sivityLow NEP and High-speed太赫兹波探测器的研究背景及意义太赫兹波探测器的研究背景及意义第2页/共74页3German team （U.R. Pfeiffer, E. jefors, A. Lisauskas, D. Glaab, and H.G. Roskos, et al） Institute for High-Frequency and Communication Technology，University of Wuppertal0.25 mm-Si CMOS, 3x5 FPA (readout circuits integrated) 5.3 mA/W o

4、r 150 V/W 650 GHzNEP 0.5 nW/Hz0.5 Self-mixingPanasonic Corp. （ Tohoku University, Japan (2010)）68th Device Research Conference 2010,Nano T-gate (80 nm) GaN/AlGaN-HEMTR 1100 V/W 1000 GHz.Resonant detection关于太赫兹探测器的一些最新研究进展Patch antennas &Nano gateDipole antenna &Nano gate第3页/共74页 用FDTDFDTD模拟设

5、计适合自混频探测原理的天线结构和滤波器等。模拟设计模拟设计 设计光刻板，首先从工艺制作上证明单步工艺的可行性，并进行整体器件的加工。器件加工器件加工 搭建THzTHz探测的电学和光学测试系统（包括PCBPCB板，偏振片，三维手动微动平台等）测试分析测试分析结构优化结构优化 对测试结果进对测试结果进行分析，并反馈行分析，并反馈设计，优化器件设计，优化器件结构，最终实现结构，最终实现高灵敏度，高响高灵敏度，高响应度和较低的应度和较低的NEPNEP。研究方法第4页/共74页自混频探测的模型及原理 工作原理图CMOS or HEMT 0gdsdsiGV（V）ggg=cos=cos+dsdsdsdsds

6、ggVVVVVVVVVV （ ） （）背景电流光电流0gds0gg1+cos2dsdsiGGV（V）V（V） V（ ）a. 选用电子迁移率较高的材料选用电子迁移率较高的材料b.设计高效的太赫兹混频天线设计高效的太赫兹混频天线栅控能力天线耦合效率第5页/共74页天线天线收集并增THz电场跟HEMT器件的相互作用，进而提高探测效率。隔离天线跟引线电极，用以保证天线的谐振性能。滤波器滤波器 SDGHEMTAlGaNGaN器件整体结构第6页/共74页1.裂片，清洗，光刻，裂片，清洗，光刻，ICP刻蚀刻蚀2.ALD生长生长AL2O33.欧姆窗口腐蚀欧姆窗口腐蚀4.蒸金，剥离和退火蒸金，剥离和退火5.光刻

7、制作电子束对准标记，光刻制作电子束对准标记，蒸金，剥离，电子束曝光，蒸蒸金，剥离，电子束曝光，蒸金，剥离金，剥离6.光刻，蒸金，剥离制作天线光刻，蒸金，剥离制作天线和和pad工艺流程第7页/共74页chopper检测信号THz信号参考探测器HR-Si BSiTDGSRgVgVdsLock-in Amp.Sig.Amp.Ref.A/V测试装置图测试电路连接示意图 I-V 电导 跨导 ITHz-Vg 响应度 等效噪声功率 响应频谱 响应速度 偏振特性场效应基本特性测试场效应基本特性测试太赫兹检测特性测试BWO: 0.85 THz0.95 THz , P50nWChopper：04 KHzPE de

8、tector: 6x103 V/W 317 Hz测试及优化第8页/共74页测试及优化_无特意设计天线结构9 验证测试光路和测试系统验证测试光路和测试系统;初步检测到微弱的光电流初步检初步检测到微弱的光电流初步检 测到微弱的光电流；测到微弱的光电流；响应度约为响应度约为10 V/W;跟自混频模型吻合；跟自混频模型吻合；低温下光电流增加（低温下电子低温下光电流增加（低温下电子 的迁移率增加的迁移率增加)Spad=100 um, Lg=2 um, Lw=8 um, Lds=8um0.00.10.20.30.40.50.6-4-3-2-100123456 G (300 K) G (77 K) G (m

9、S)0.00.40.81.2 dG/dVg (300 K) dG/dVg (77 K)dG/dVg (a.u.) 300 K 77 K fit (300 K) fit (77 K) photocurent (nA)Vg (V)903 GHzx10 Characterization of a room temperature terahertz detector based on a GaN/AlGaN HEMTH, Journal of Semiconductors. 32, 064005 (2011).第9页/共74页Lds=8 um, Lg=2 um, Santenna=20 um x 4

10、5 um, Spad= 200 um x 200 um, 双极子天线器件三极子蝶形共振天线器件RV=180 V/WRV=25 V/W1st step: 双极子天线 to 三极子蝶形共振天线 Enhancement of Terahertz coupling efficiency by improved antenna design in GaN/AlGaN HEMT detectors, Chinese physics B ,21,10. (2012).-4-3-2-100.00.20.40.60.81.01.21.41.6Photocurrent (nA)Vg (V)-5-4-3-2-100

11、.00.20.40.60.81.0Photocurrent (nA)Vg (V)Rx7RV=25 V/WRV=180 V/W第10页/共74页nanogate(700 nm)90 umsourcedrainfiltersOhmiccontactsgatenanogate(700 nm)sourcedrainOhmiccontactsgate90 um三极子蝶形共振天线+纳米栅三极子蝶形共振天线+纳米栅+滤波器RV=250 V/WRV=1050 V/WLds=5um, Lg=700 nm, Santenna=20 um x 45 um, Spad= 200 um x 200 um,电学特性光学特

12、性2nd step: :三极子蝶形共振天线器件对比 Room temperature GaN/AlGaN self-mixing terahertz detector enhanced by resonant antennas, Applied Physics Letters. 98, 252103 (2011)-4-3-2-100.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8Photocurrent (nA)Vg (V)-4-3-2-100.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8Photocurrent (nA)Vg (V)Rx4RV=250 V/WRV=105

13、0 V/W第11页/共74页SEM 图片器件的特征尺寸参数3nd step: :三极子蝶形共振天线+微米栅器件的优化 Enhancement of Terahertz coupling efficiency by improved antenna design in GaN/AlGaN HEMT detectors, Chinese physics B ,21,10. (2012).室温下不同器件的测试优化结果第12页/共74页响应度0. 00. 51. 01. 52. 0- 4- 3- 2- 102468Rv (V/W)77 K 300 K 77 KVg (V) 300 K 77 K77 K

14、 Ri (A/W)300 K x 30f =937 GHzP0=220 nW 以器件以器件#4为例进行测量为例进行测量室温下器件的响应度达室温下器件的响应度达 到了到了9.45x102 V/W。 低温下器件的响应度超低温下器件的响应度超 过了过了8 KV/W。PEHEMT57.4WWPE探测器真实能量：PEPEPEWVRPEV为PE响应度PER为PE响应电压HEMTV(HEMT)(HEMT)R=P/WHEMT探测器真实能量：#4：Spad=200 um, Lg=2 um, Lw=5um, Lds=4 um第13页/共74页等效噪声功率idsiVN = 4NEP = N / RTGB0.00.4

15、0.81.2-4-3-2-100123 G (mS)77 K300 K Ni (pA/Hz1/2)Vg (V)77 K300 K-4-3-2-110-1310-1110-910-7 NEP (W/Hz1/2)Vg (V) experimental 300 K experimental 77 K thermal 300 K thermal 77 K 以器件以器件#4为例进行测量为例进行测量室温下器件的室温下器件的NEP达达58 pW/Hz0.5。 低温下器件的低温下器件的NEP达到达到4p W/Hz0.5。第14页/共74页偏振特性 天线具有天线具有良好良好的偏振特性。的偏振特性。THz电场平行

16、于天线的长边时：电场平行于天线的长边时： 器件的响应最大。器件的响应最大。 THz电场垂直于天线的长边时：电场垂直于天线的长边时： 器件的响应最小。器件的响应最小。偏振特性：偏振特性： Room temperature GaN/AlGaN self-mixing terahertz detector enhanced by resonant antennas, Applied Physics Letters. 98, 252103 (2011)第15页/共74页响应速度 以器件以器件#4为例进行测量为例进行测量室温下铁电探测器的响应速度低室温下铁电探测器的响应速度低 于于500 Hz室温下测辐

17、射热计在室温下测辐射热计在4 KHz的调的调 制频率下，衰减了将近制频率下，衰减了将近10倍。倍。室温下室温下HEMT探测器的响应速度探测器的响应速度 远高于远高于4 KHzBolometerPE detectorHEMT detector 500Hz接近接近4KHz远高于远高于4KHz第16页/共74页光谱响应4006008001000120014000123i (normalized)f (GHz) 300 K 77 Kx100antenna responseHigh-responsivity, low-noise, room-temperature, self-mixing terahe

18、rtz detector realized using floating antennas on a GaN-based field-effect transistor, Applied Physics Letters. 100, 013506 (2012) 80085090095010000123interferencei (normalized)f (GHz) 300 K 77 Kx100antenna response840860880900920940123 Photocurrent （nA）Frequency （THz）PE探测器HEMT 探测器第17页/共74页整体面积为：2mm*

19、4mm每个单元的面积约为：0.6mm2测试结果加工结果 探测器的应用研究_线阵列探测器0.000.040.080.120.000.050.100.150.20-4-3-2-1012340.00.51.01.5 G (mS) dG/dVg (mS/V) i (nA)Vg (V) shifted +0.5V for clarity(a)(b)(c)光电流偏差N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减， 这种物质称为吸收物质。 如果N2N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。 N2N1的分布，和正常状态(N1N2)的分布相反，所以

20、称为粒子(电子)数反转分布。 问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢? 小结第58页/共74页 导带 价带 导带 价带正常分布反转分布产生激光的必要条件二：粒子数反转分布第59页/共74页产生粒子数反转的方法产生粒子数反转的方法 注入载流子对注入载流子对PN结施加正向偏压结施加正向偏压 半导体激光器半导体激光器 强光对激光物质进行照射固体激光器强光对激光物质进行照射固体激光器 气体电离气体激光器气体电离气体激光器第60页/共74页激光振荡和光学谐振腔激光振荡和光学谐振腔工作物质产生激光的必要条件三：有光学谐振腔第61页/共74页光增益ECEV第62页/共74页2nqL产生稳定振荡的条件（相位条件

21、）q纵模模数，n 激光媒质的折射率第63页/共74页1什么是太赫兹波？2太赫兹波的特点有哪些？3自混频探测的机理是什么？ 4在红宝石Q调制激光器中，有可能将全部Cr3(铬离子)激发到激光上能级并产生巨脉冲。设红宝石直径0.8cm，长8cm，铬离子浓度为21018cm3，巨脉冲宽度为10ns。求：(1)输出0.6943mm激光的最大能量和脉冲平均功率；(2)如上能级的寿命102s，问自发辐射功率为多少瓦？第64页/共74页5(1)普通光源发射0.6000mm波长时，如受激辐射与自发辐射光功率体密度之比 ，求此时单色能量密度 为若干？(2)在HeNe激光器中若 ，=0.6328mm，设1，求 为若

22、干？20001自激qqv34msJ100 . 5v自激qq第65页/共74页第66页/共74页hhcqq88333自激34361063. 68)106 . 0(20001317/10857. 3msJ 解:(1) 943436333106 . 71051063. 68)106328. 0( 88hhcqq自激 (2)例1(1)普通光源发射0.6000mm波长时，如受激辐射与自发辐射光功率体密度之比 ，求此时单色能量密度 为若干？(2)在HeNe激光器中若 ，=0.6328mm，设1，求 为若干？20001自激qqv34msJ100 . 5v自激qq第67页/共74页例2在红宝石Q调制激光器中，

23、有可能将全部Cr3(铬离子)激发到激光上能级并产生巨脉冲。设红宝石直径0.8cm，长8cm，铬离子浓度为21018cm3，巨脉冲宽度为10ns。求：(1)输出0.6943mm激光的最大能量和脉冲平均功率；(2)如上能级的寿命102s，问自发辐射功率为多少瓦？解：（1）最大能量JchdrhNW3 .2106943.01031063.61010208.0004.0683461822脉冲平均功率P瓦8961030. 21010103 . 2tW 瓦自自自145113 . 2112002021ehNPendtenNtA(2)第68页/共74页第一章 光电导探测器1.本征半导体？杂质半导体？（课件）2. 欧姆定律的微分形式？电导率跟迁移率的关系？3. 金属、半导体、绝缘体的能带示意图？4. 电导率的表达式？5. 光电导效应？产生光电导效应的条件是什么？ 提高光电导效应的方法是什么？6. 暗电流、亮电流、光电流、暗电导、亮电导、暗电阻和亮电阻之间的关 系？7. 光电流的表达式？光电导增益？光电导灵敏度？量子效率？光电导惰性？ 前历效应？8. 光敏电阻的敏感机理？期末考试复习要点第69页/共74页第二章 结型光电器件(重点)1.金属半