用光電導(dǎo)方法產(chǎn)生高功率太赫茲電磁波
目前，簡便易行的產(chǎn)生脈沖THz輻射的主要方法有兩種，即光電導(dǎo)激發(fā)機(jī)制和光整流效應(yīng)。前者是利用超快脈沖激光觸發(fā)直流偏置下的光電半導(dǎo)體，因光生載流子在偏置電場作用下加速運(yùn)動而輻射THz電磁波。光電導(dǎo)THz電磁輻射發(fā)射系統(tǒng)的性能與光電導(dǎo)芯片、天線的幾何結(jié)構(gòu)和觸發(fā)激光脈沖寬度有關(guān)。其中，光電導(dǎo)芯片是產(chǎn)生THz電磁波的關(guān)鍵部件，性能良好的光電導(dǎo)芯片應(yīng)該具有載流子壽命短，遷移率高和能夠承受高電壓，大電流的能力。光整流效應(yīng)是一種非線性效應(yīng)，利用亞皮秒量級激光脈沖和非線性介質(zhì)相互作用產(chǎn)生的低頻電極化場也可以輻射出THz電磁波，用整流效應(yīng)輻射THz電磁波的強(qiáng)度和頻率分布決定于激光脈沖的特征和非線性介質(zhì)的性質(zhì)。
由于光整流效應(yīng)產(chǎn)生的THz波的能量僅僅來源于入射激光脈沖的能量，而光電導(dǎo)激發(fā)機(jī)制輻射THz波的能量主要加載在光電導(dǎo)體上的偏置電場，所以用光電導(dǎo)激發(fā)機(jī)制輻射的THz電磁波能量通常比用光整流效應(yīng)產(chǎn)生的THz波能量強(qiáng)。結(jié)合用半絕緣GaAs材料研制橫向型超快光電導(dǎo)開關(guān)的研究經(jīng)驗(yàn)，我們已經(jīng)研制了具有條形電極結(jié)構(gòu)的GaAs光電導(dǎo)偶極天線，在fs超快激光脈沖觸發(fā)下進(jìn)行了THz電磁波的發(fā)射和測試實(shí)驗(yàn)，得到了頻譜寬度大于2THz、脈沖寬度約1ps的THz電磁波。實(shí)驗(yàn)表明，增加光電導(dǎo)偶極芯片兩電極之間的偏置電場E b，可以提高所輻射THz電磁場的強(qiáng)度。采用多層透明絕緣結(jié)構(gòu)，可以提高它在工作狀態(tài)時(shí)的偏置電場強(qiáng)度，從而提高GaAs光電導(dǎo)偶極天線輻射THz電磁波的強(qiáng)度。在遠(yuǎn)場條件下，THz輻射強(qiáng)度與GaA s芯片表面光激發(fā)瞬態(tài)電流Js的時(shí)間導(dǎo)數(shù)成正比。由于瞬態(tài)電流Js的時(shí)間變化率決定于觸發(fā)光脈沖，因此，在遠(yuǎn)場條件下THz電磁波強(qiáng)度決定于觸發(fā)光脈沖的寬度、功率和偏置電場的強(qiáng)度。另外，光電導(dǎo)偶極芯片的電極兼有發(fā)射天線的作用，可以通過設(shè)計(jì)金屬電極的形狀，改進(jìn)條狀天線(電極)為對數(shù)螺旋天線或?qū)?shù)周期天線，以提高THz電磁波的發(fā)射效率。最近的實(shí)驗(yàn)研究表明，用組合開關(guān)結(jié)合在氣體中形成的等離子體有可能進(jìn)一步提高光電導(dǎo)偶極輻射THz波的功率；用縫隙光電導(dǎo)天線有可能通過調(diào)節(jié)縫隙來調(diào)諧偶極輻射的波段；用光控延遲方式結(jié)合光電導(dǎo)陣列，使各個(gè)光電導(dǎo)天線輻射的THz波在空間相干合，將大幅度提高THz輻射功率。
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科技前沿
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項(xiàng)目成果
