《thz调研11.21》由会员分享，可在线阅读，更多相关《thz调研11.21（42页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、报告人： 陈岩 张子轩 晁恩飞 指导老师：崔开宇,THz技术,什么是太赫兹波？,太赫兹(THz)波是指频率在0.110THz(波长为30um30mm)范围内的电磁波。太赫兹波在电磁波频谱中占有很特殊的位置,其长波段方向与毫米波(亚毫米波)相重合,而在短波段方向与红外线相重合。即太赫兹波处于电子学向光子学的过渡区。,太赫兹波简介,太赫兹空隙（THz Gap）,太赫兹的特征,特征,1,2,3,4,5,覆盖多种物质特征谱,宽带性,瞬态性,低能性,穿透性,半导体、等离子体、凝聚态、有机体和生物大分子等,单个脉冲的频带可以覆盖从GHz至几十THz的范围,典型脉宽在亚皮秒量级,具有类似微波的穿透能力，同时
2、也具有类似光波的方向性,能量只有毫电子伏特,太赫兹波谱,太 赫 兹 波 谱,太赫兹光谱中含有丰富的物理和化学信息，大多物质在太赫兹波段都有指纹谱，利用不同的太赫兹光谱技术可以研究物质在太赫兹波段的性质。,基础科学研究,空间观测,质量检测,军事、国土安全,物理、化学、生物医学、信息科学,星际介质、行星探测和宇宙背景探测,食品、药品、材料无损检测等,生化探测、反恐、缉毒、雷达等,太赫兹波谱举例,不同西药成分的THz光谱图,明显的指纹谱,太赫兹波谱举例,几种常见毒品的THz光谱图,太赫兹成像,太 赫 兹 成 像,太赫兹波可以透过可见光和红外光所无法穿透的物质或材料，如塑料、陶瓷、绝热泡沫等，所以利用
3、不同的太赫兹成像方式可以与可见光和X射线等成像技术互补。,军事科技、国土安全,医学成像,材料无损检测,安全检查,雷达成像、导弹制导、空间成像、导航等,癌瘤组织成像等,航空航天飞行器、工业产品、食品、药品等,机场、车站、公共场所等,太赫兹成像,太赫兹波辐射的第一幅图像：图像显示了树叶因含水量不同而形成的对比。,太赫兹成像,肯尼思在德州仪器杰出讲座中说：“这种透视装置将是无所不能，或许它的应用只有我们想不到的。”,英国每日邮报,太赫兹成像,安全检查,世界上首个基于被动式太赫兹技术的综合安检系统解决方案,太赫兹成像,精准医疗,太阳在说什么？,一种独特的太赫兹探测器和成像系统,美国密西根大学研究人员演
4、示了一种独特的太赫兹探测器和成像系统，可以有效的填补太赫兹空隙,研究意义,太赫兹波,广阔前景,成像技术,光谱信息,基 础 研 究,生 物 医 学,公共安全,信息通信,军事领域,THz基础技术原理,辐射源： 瓶颈： 高功率、高能量、高效率； (目标) 能在室温下稳定运转、宽带可调； 能方便、灵活地运用于科研工作和实际生 活中,THz Gap：辐射源和探测技术落后,探测器： 由于太赫兹源发射功率低，与相对较高的热背景耦合，需要高灵敏度的探测手段。,THz基础技术原理,辐射源,THz基础技术原理,1.半导体固态THz源,优点：小巧、价格低廉、频率可调 缺点：功率难以做大，需在超低温条件下运转 发展重
5、点：THz量子级联激光器(THz QCL) 优点：输出光率提高 工作温度相对较高,量子级联激光器（QCL）,概述与基本原理,基本原理示意图,1994年BELL实验室采用GaInAs/AlInAs制作成世界上第一台量子级联激光器 基本原理： 电子导带带内跃迁 量子级联，多级释放 存在问题 维持粒子数反转？ 合理周期数以及偏压热损坏,量子级联激光器（QCL）,结构设计,设计思路： 提高注入效率 提高抽取效率,四阱共振声子能带示意图,共振声子结构 利用纵光学声子散射快速抽取 防止热反注入，提高温度性能 c. 垂直跃迁，辐射强度大,弊端：要靠量子隧穿进入下一个有源区,depopulation,Will
6、iams B S. Nature photonics, 2007,量子级联激光器（QCL）,最新进展 2016年中国工程物理研究院王学敏小组： 连续波长功率（CPW）0.23W 2014年英国利兹大学linfield小组： 脉冲激光功率达到1W以上 MIT胡青小组： 温度：脉冲模式下最高工作温度为199.5K,Wang X, Shen C, Jiang T, et al. AIP Advances, 2016.,THz基础技术原理,2.基于光子学的THz辐射源,光导天线、半导体表面效应、光整流效应、非线性差频机制、THz参量振荡器和放大器等等 优点：超宽带、脉宽窄、峰值功率高、产生的 THz
7、辐 射方向性和相干性都很好 缺点：转换效率较低，平均功率低,THz基础技术原理,利用超快激光脉冲泵浦光导材料，在光导材料内产生电子-空穴对，在外加偏置电场作用下加速运动，形成瞬态光电流，辐射出脉冲太赫兹辐射,光电导天线,Shen Y C, Upadhya P C, Linfield E H, et al. Applied Physics Letters, 2003.,THz基础技术原理,光整流效应,利用飞秒激光脉冲和非线性介质相互作用而产生低频电极化场, 此电极化场在晶体表面辐射出太赫兹电磁波,THz基础技术原理,3.基于真空电子学的THz辐射源,反波管、耿氏二极管振荡器等真空电子器件，电子回
8、旋脉塞、自由电子激光等,优势：效率相对较高，可以产生大功率甚至超大功率的THz辐射,THz基础技术原理,THz自由电子激光器（THz FEL）：,THz基础技术原理,THz自由电子激光器（THz FEL） 优点：频谱范围广、峰值功率和平均功率高、可连续调谐以及相干性好 缺点：体积过于巨大、能耗高、运行和维护费用较为昂贵, 难以在科研工作中广泛普及,THz基础技术原理,FEL的注入器与直线加速器,FEL的扭摆器,FEL的电子回收段,基于美国托马斯杰斐逊国家加速器装置的FEL,THz基础技术原理,FEL的低温组件及束线,FEL的控制室与用户实验室,THz基础技术原理,最新进展,激光与固体靶相互作用
9、在靶后产生太赫兹辐射的物理图像,Guo-Qian Liao et.al. Phys. Rev. Lett. 116, 205003 (2016),相干脉冲时域连续波探测技术 采用与太赫兹脉冲生成相类似的方式进行相干检测 主要方法：超外差式检测器（低频段THz波的探测）,探测技术,非相干直接能量探测技术 基于热辐射吸收或光子吸收的直接能量检测,一般只能测出太赫兹辐射强度,而不能提供其相位信息,属非相干测量,是一类宽带检测技术，一般用于太赫兹波段的高频端,THz基础技术原理,THz基础技术原理,现阶段常用的外差式探测器：肖特基二极管混频器、超导-绝缘体-超导(SIS)混频器和热电子辐射热计(HEB
10、)混频器。,超外差式探测器,通过非线性设备混频器将难处理的高频太赫兹信号进行下转换到可方便处理的较低频率的信号,然后对低频信号进行放大和测量。,THz detectors Progress inQuantumElectronics34(2010)278347,相干探测,THz基础技术原理,直接探测技术是将被测信号直接转化为直流电流或电压信号，系统简单。,直接探测器,量子阱探测器（QWP）,概述与基本原理 1987年Bell实验室首次实现基于子带跃迁的QWP 关键点 结构设计 光耦合,Guo X G, Cao J C, Zhang R, et al. Journal of Selected To
11、pics in Quantum Electronics, 2013,量子阱探测器（QWP）,根据激发态类型分类 束缚态到束缚态（BTB） 基态和第一激发态均为束缚态 偏压下隧穿出量子阱 势垒不宜太厚或太薄,束缚态到束缚态示意图,不利于隧穿形成光电流,暗电流增大,折中设计,量子阱探测器（QWP）,束缚态到连续态跃迁（BTC）,设计减小阱宽，激发态成为连续态 不存在隧穿 降低偏压，减小暗电流 势垒厚度对光子收集率没有影响,束缚态到连续态示意图,量子阱探测器（QWP）,束缚态到准束缚态示意图,束缚态到准束缚态（BTQB）,第一激发态设为势垒顶端 热激发势垒=光激发势垒 减小暗电流（如图）,量子阱探测
12、器（QWP）,光耦合,本门课程知识应用：,这意味着，只有入射的光有z分量（沿着材料生长方向）才能和光互相作用。 对于n型QWP，跃迁选择定则决定了垂直入射的线偏振光（电场垂直于材料生长层）没有耦合。,量子阱探测器（QWP）,45度边耦合,二维周期光栅,两个例子，45度边耦合结构和二维周期光栅结构，使得在子带内发生光子吸收。,量子阱探测器（QWP）,研究现状,4. 国内曹俊诚组采用一维反射光栅结构，与45度入射型对比，峰值响应度提高20%,设计思路： 改变AlGaAs中的Al组份，势垒高度，势阱宽度 掺杂浓度（H.C.Liu）及线型 (Dayan Ban)。 考虑多体效应 （例如交换关联势、去极
13、化等物理效应）之后的改进,Zhang R, Fu Z L, Gu L L, et al. Applied Physics Letters, 2014,量子阱探测器（QWP）,Palaferri D, Todorov Y, Chen Y N, et al. Applied Physics Letters, 2015,通过探测器表面制作金属贴片天线阵列进行光耦合 利用阵列结构和SPP带来的优势，在5THz的峰值响应下，显著提升了响应度和背景限温度,Stripe width:2um length:10um,量子阱探测器（QWP）,Long L, Yu C, Zhong H, et al. Scientific Reports, 2016, 6.,包含微小贴片阵列，并采用周期性波纹的金属夹（sandwiching）住半导体有源层，可以产生很大地纵向场分量，以提高耦合并减小暗电流,仿真计算,Thank you,
