THz-generation-and-dtection太赫茲電磁波的產(chǎn)生和檢測PPT課件

1、太赫茲電磁波的產(chǎn)生和檢測研究生系列講座提 綱太赫茲技術(shù)和應(yīng)用 太赫茲波的產(chǎn)生1 太赫茲波的檢測2 太赫茲波光譜3 太赫茲波成像4 5提 綱太赫茲技術(shù)和應(yīng)用 太赫茲波的產(chǎn)生1 太赫茲波的檢測2 太赫茲波光譜3 太赫茲波成像4 510310610910121015101810211024100microwavesvisiblekilomegagigaterapetaexazettayottax-rayg -rayTHz GapElectronics industryPhotonics industryHzFrequency (Hz)dc太赫茲（THz）電磁波通常指的是頻率在0.1 THz10 TH

2、z區(qū)間的遠(yuǎn)紅外電磁輻射，其波段位于微波和紅外光之間。是一個具有豐富的科學(xué)研究價值，而尚未充分開發(fā)的一個電磁波段。in different units: 1 THz 1 ps 300 mm 4.1 meV 47.6 oKTHz波在電磁波譜中的位置THz電磁波的特點透視性：很多介電材料和非極性液體對太赫茲波是透明的。應(yīng)用：不透明物體透視成像，在濃煙和沙塵環(huán)境中成像。 (2)低能性：THz光子的能量只有毫電子伏特，低于各種化學(xué)鍵的鍵能，不會對生物組織產(chǎn)生有害的電離。應(yīng)用：旅客安檢，生物組織活體檢測。(3)光譜分辨本領(lǐng)：大量的分子，尤其是有機(jī)分子，其轉(zhuǎn)動和振動的躍遷在THz頻段表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收和色散特

3、性，從而在THz頻譜中表現(xiàn)出特有的吸收峰。應(yīng)用：毒品、爆炸物檢測。THz電磁波的應(yīng)用鑒定物質(zhì)12種化學(xué)樣品、生物樣品和爆炸物的THz譜THz電磁波的應(yīng)用無損檢測內(nèi)部設(shè)置30個缺陷的航空絕熱泡沫照片0.2 THz連續(xù)波太赫茲圖像THz電磁波的應(yīng)用疾病診斷乳腺組織的切片照片方框部位的放大照片及其THz像THz電磁波的應(yīng)用安全檢測某人的光學(xué)照片和利用0.094 THz波對人體透視圖像制約太赫茲波應(yīng)用的因素1. 太赫茲電磁波本身的特性2.技術(shù)手段的限制 研制功率高、信噪比大、穩(wěn)定性好的太赫茲源以及信噪比高、靈敏度好的太赫茲探測器是推動太赫茲技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。THz 源的種類非相干的熱輻射源 (熱源)電子

4、學(xué)的高頻微波輻射源THz激光器基于非線性的光學(xué)發(fā)射源光電子輻射源相干THz源的發(fā)展歷史超快光電子學(xué)光學(xué)電子學(xué)電子學(xué)方法返波振蕩器 (BackWard Wave Oscillator)電磁波的頻率由其減速系統(tǒng)的周期和電子速度決定平均功率：幾百W-100 mW， 頻率 1.5 THz返波振蕩器（Backward Wave Oscillator）電子學(xué)耿氏振蕩器 （Gunn Diode）VDI Control and Bias BoxRF Input (17-18 dBm, 10.62-11.32 GHz)AmpSpacek A445-4XDoubler (D90)Doubler (D200)RF

5、Output170-181 GHz耿氏振蕩器 （Gunn Diode）平均功率：W- mW， 頻率 2 THz不同頻段的輸出功率光學(xué)氣體激光器（Gas Laser）SIFIR-50 FPLFar-Infrared Laser System平均功率：mW-W， 頻率: 0.9-7 THz光學(xué)量子級聯(lián)激光器（QCL）光電子學(xué)半導(dǎo)體表面場EcFermi levelEvSurfacestatesAirSemiconductor-101-80-60-40-20020406080Angle (degrees) GaAs裸片,無偏置電場正入射時沒有THz輻射; 布儒斯特角(qB) 時輻射最強(qiáng) GaAs輻射T

6、Hz強(qiáng)度與角度的關(guān)qBqB光電子學(xué)光致丹倍效應(yīng) (photo-Dember Effect )光生載流子向材料的內(nèi)部擴(kuò)散。電子和空穴的遷移率的不同產(chǎn)生光致丹倍場。該瞬態(tài)場向外輻射THz電磁波。airehehehehehehehehehehehehehehInAsDepthCarrier concentrationHoleElectronlightTHz waveInAs waferTHzTani, Sarukura, Johnston, Krotkus, Liu, etc光電子學(xué)光致丹倍效應(yīng) (photo-Dember Effect )24681012THz Amplitude (a.u.)De

7、lay Time (ps) p-InAs n-GaAsp-type InAs wafer (1016/cm3) 是最好的非偏置THz發(fā)射器。發(fā)射強(qiáng)度比最好的GaAs強(qiáng)1600 times. p- InAs的THz發(fā)射強(qiáng)度要比 n-InAs強(qiáng)幾倍.EO crystalInput laser pulse I(t, w, Dw)THz pulse ETHz(t, W)P(t)c(2)Dt, Dw 光整流效應(yīng) (Optical Rectification)光電子學(xué)光電導(dǎo)天線偶極天線發(fā)射THz波原理e-laserh+-p p = q a -+dipolea 影響天線發(fā)射功率的因素光電導(dǎo)體性能良好的光電導(dǎo)

8、體應(yīng)該具有盡可能短的載流子壽命、高的載流子遷移率和介質(zhì)耐擊穿強(qiáng)度。 離子注入GaAs：一些離子注入半導(dǎo)體材料（GaAs:As，GaAs:H，GaAs:N，GaAs:O）可能成為低溫LT-GaAs的替代產(chǎn)品。LT-GaAs 暗態(tài)電阻（107 cm） 載流子遷移率（100-300 m2/Vs） 載流子壽命（0.25 ps ） 擊穿強(qiáng)度（ 500 kV/cm）然而LT-GaAs的制備工藝的重復(fù)性不好，因為LT-GaAs的性質(zhì)對制備溫度和退火溫度依賴很強(qiáng)。影響天線發(fā)射功率的因素天線結(jié)構(gòu) 天線結(jié)構(gòu)通常有赫茲偶極天線、共振偶極天線、錐形天線、傳輸線天線以及大孔徑光電導(dǎo)天線等。大多數(shù)實驗中采用偶極天線和傳輸

9、線天線，其結(jié)構(gòu)相對比較簡單。Emitterlaser pulseEV共振偶極天線傳輸線天線影響天線發(fā)射功率的因素電極間隙天線電極間隙對輻射THz強(qiáng)度的影響光能相同，光斑覆蓋電極照射 屏蔽效應(yīng)影響天線發(fā)射功率的因素天線耐壓設(shè)計通常天線的耐壓能力與半導(dǎo)體芯片材料、天線電極的結(jié)構(gòu)與形狀以及所采取的絕緣保護(hù)措施有關(guān)。雙層全固態(tài)絕緣封裝工藝僅采用Si3N4絕緣保護(hù)的光電導(dǎo)天線的耐壓可以提高三倍，再加有機(jī)硅凝膠后，擊穿電場可以提高近十倍，即達(dá)到100 kV/cm。影響天線發(fā)射功率的因素天線工作溫度Planken采用水冷裝置，可以給未加絕緣保護(hù)的0.4 mm的光電導(dǎo)天線施加50 kHz， 400V的方波交流

10、電壓，得到THz電磁波的功率高達(dá)100 W。不同電極寬度的天線有無熱沉的天線gapwidth影響天線發(fā)射功率的因素刻蝕刻蝕也是提高擊穿場強(qiáng)的一種方法。電極未作刻蝕處理時， 電極與天線材料接觸的位置電流通道最薄，容易產(chǎn)熱，天線容易在此處燒壞； 采用刻蝕工藝后，增加了電極和天線材料的接觸面積，增加了電流通道，減小了接觸電阻；電極被埋在芯片中不宜導(dǎo)致空氣放電擊穿。影響天線發(fā)射功率的因素電極材料AuGeNi合金電極（1）電極制備工藝的重復(fù)性好；（2）退火后與GaAs材料形成歐姆接觸，表現(xiàn)出很高的電導(dǎo)率；（3）傳統(tǒng)的制備工藝和多種退火方式都可以采用。Ti/Au電極（1）一種不需退火的工藝。（2）與GaA

11、s形成肖特基接觸。具有AuGeNi電極的天線和Ti/Au電極的天線的伏安特性曲線影響天線發(fā)射功率的因素電極材料Ti/Au電極天線和AuGeNi電極天線的比較Ti/Au電極天線的穩(wěn)定性提 綱太赫茲技術(shù)和應(yīng)用 太赫茲波的產(chǎn)生1 太赫茲波的檢測2 太赫茲波光譜3 太赫茲波成像4 5量熱輻射計 （Bolometer）T0T 非相干測量 0.1 THz 100 THz NEP: 4.510-15 W/Hz1/2 R = 8.14106 V/W 吸收體熱源熱敏電阻PTHzPbias高萊探測器 （Golay Cell） 非相干測量 0.1 THz 100 THz NEP: 10-10 W/Hz1/2 R =

12、 1.5105 V/W 熱釋電探測器 （Pyroelectric detector） 非相干測量 0.1 THz 100 THz NEP: 10-9 W/Hz1/2肖特基二極管 （Schottky Diode） 相干測量 1.8 THz NEP: 10-10 W/Hz1/2太赫茲時域光譜系統(tǒng) THz time domain spectroscopy (THz-TDS)太赫茲時域光譜系統(tǒng) THz time domain spectroscopy (THz-TDS)時域波形和頻譜時域波形頻譜信噪比：SNR=最大值噪聲的均方根動態(tài)范圍（Dynamic Range）： DR=峰峰值噪聲的均方根輝光放電

13、探測器 （Glow Discharge Detector）氖燈可以用作GDD，其中包含了 99.5% 的氖氣和0.5%的氬氣。優(yōu)點: 廉價 ( $1); 很高的電學(xué)耐受性 （Electronic ruggedness）; 寬帶 (THz, IR, UV, X-ray, -ray); 室溫操作; 響應(yīng)速度快 (ms的上升時間). 什么是輝光放電探測器 （GDD）？工作原理增強(qiáng)的級聯(lián)電離:入射電磁波增加了電子和中性原子的碰撞電離，從而導(dǎo)致放電電流的增加。電磁波信號 GDD微波, THz波, 紅外, 紫外, X-射線 & -射線實驗裝置電磁波源:1) 耿氏振蕩器 (40 mW at 0.2 THz)

14、2) 返波振蕩器 (6.3 mW at 0.1 THz and 29 mW at 0.37 THz) 3) 飛秒激光器 (350 mW at 800 nm)4) 紫外射線槍 (90 mW at 200 400 nm)實驗電路示意圖實驗結(jié)果: 金屬反射器的增益用具有金屬反射器和沒有金屬反射的GDD獲得的THz波的信號(40 mW at 0.2 THz) 金屬反射器能夠把信號放大 4 倍!金屬反射器實驗結(jié)果: THz信號根據(jù)源的能量歸一化處理 的THz測量信號(6.3 mW at 0.1 THz, 40 mW at 0.2 THz, and 29 mW at 0.37 THz)實驗結(jié)果:響應(yīng)率0.

15、1 THz0.2 THz 0.37 THz無放大器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響應(yīng)率隨著入射頻率的增加減小: 玻璃壁的吸收: The collision frequency () is less than 100 GHz.實驗結(jié)果: 紅外信號紅外光的測量信號 (350 mW at 800 nm) (a) 陽極, (b) 在法拉第區(qū)和陰極輝光區(qū)之間 (c) 陰極 GDD陽極陰極法拉第區(qū)實驗結(jié)果: 紫外信號紫外光的測量信號 (90 mW at 200 400 nm)THz干涉儀THz干涉儀Gunn O

16、scillatorGDDBS用GDD測得的THz相干信號THz 干涉儀用GDD測得的THz信號的頻譜用GDD、肖特基二極管和熱釋電探測器測得的THz信號的頻譜THz成像: 具有一些金屬圖案的印刷線路板印刷線路板用GDD獲得的THz圖像用肖特基二極管得到的THz圖像THz成像: 裝水的茶壺茶壺用GDD獲得的THz圖像用肖特基二極管得到的THz圖像THz成像: 裝水的噴壺噴壺用GDD獲得的THz圖像用肖特基二極管得到的THz圖像THz成像: 木盒木盒用GDD獲得的THz圖像用肖特基二極管得到的THz圖像THz 成像: 急救箱用GDD獲得的THz圖像用肖特基二極管得到的THz圖像現(xiàn)有實驗條件建起70 平米的超凈實驗室超凈實驗室更衣室超凈實驗室內(nèi)部全景現(xiàn)有實驗條件鎖相