THz调研11.21

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0.1~10THz(波长为30um—30mm)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（THzGap）太赫兹的特征特征12345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THzGap：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1半导体THz源THz量子级联激光器等2基于光子学的THz发生器光电导天线和光整流等3基于真空电子学的THz辐射源THz真空器件、电子迴旋脉塞和自由电子激光等辐射源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点：THz量子级联激光器(THzQCL)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：①电子导带带内跃迁②量子级联，多级释放③存在问题a)维持粒子数反转？b)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a.利用纵光学声子散射快速抽取b.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WilliamsBS.Naturephotonics,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）0.23W2014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199.5KWangX,ShenC,JiangT,etal.AIPAdvances,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ShenYC,UpadhyaPC,LinfieldEH,etal.AppliedPhysicsLetters,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（THzFEL）：THz基础技术原理THz自由电子激光器（THzFEL）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FELTHz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在靶后产生太赫兹辐射的物理图像Guo-QianLiaoet.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)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。THzdetectorsProgressinQuantumElectronics34(2010)278–347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。直接探测器直接探测热效应室温探测器低温探测器光效应量子阱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GuoXG,CaoJC,ZhangR,etal.JournalofSelectedTopicsinQuantumElectronics,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）QuantumWellBoundStateQuasi-BoundState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：1.改变AlGaAs中的Al组份，势垒高度，势阱宽度2.掺杂浓度（H.C.Liu）及线型(DayanBan)。3.考虑多体效应（例如交换关联势、去极化等物理效应）之后的改进ZhangR,FuZL,GuLL,etal.AppliedPhysicsLetters,2014量子阱探测器（QWP）PalaferriD,TodorovY,ChenYN,etal.AppliedPhysicsLetters,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Stripewidth:2umlength:10um量子阱探测器（QWP）LongL,YuC,ZhongH,etal.ScientificReports,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Thankyou