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

1、1-50太赫茲電磁波的產(chǎn)生和檢測(cè)太赫茲電磁波的產(chǎn)生和檢測(cè)研究生系列講座研究生系列講座2-50提提 綱綱太赫茲技術(shù)和應(yīng)用太赫茲技術(shù)和應(yīng)用 太赫茲波的產(chǎn)生1 太赫茲波的檢測(cè)2 太赫茲波光譜3 太赫茲波成像4 53-50提提 綱綱太赫茲技術(shù)和應(yīng)用太赫茲技術(shù)和應(yīng)用 太赫茲波的產(chǎn)生1 太赫茲波的檢測(cè)2 太赫茲波光譜3 太赫茲波成像4 54-5010310610910121015101810211024100microwavesvisiblekilomegagigaterapetaexazetta yottax-rayg -rayTHz GapElectronics industryPhotonics i

2、ndustryHzFrequency (Hz)dc太赫茲太赫茲THzTHz電磁波通常指的是頻率在電磁波通常指的是頻率在0.1 THz0.1 THz10 THz10 THz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。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(gè)具有豐富的科學(xué)研究?jī)r(jià)值，而尚未充分開發(fā)的一個(gè)是一個(gè)具有豐富的科學(xué)研究?jī)r(jià)值，而尚未充分開發(fā)的一個(gè)電磁波段。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波在電磁波譜中的位置5-50THz電磁波的特點(diǎn)電磁波的特點(diǎn)透視性：很多介電材料

3、和非極性液體對(duì)太赫茲波是透明的。透視性：很多介電材料和非極性液體對(duì)太赫茲波是透明的。運(yùn)用：不透明物體透視成像，在濃煙和沙塵環(huán)境中成像。運(yùn)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：低能性：THz光子的能量只有毫電子伏特，低于各種化學(xué)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(huì)對(duì)生物組織產(chǎn)生有害的電離。鍵的鍵能，不會(huì)對(duì)生物組織產(chǎn)生有害的電離。運(yùn)用：旅客安檢，生物組織活體檢測(cè)。運(yùn)用：旅客安檢，生物組織活體檢測(cè)。(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(dòng)光譜分辨本領(lǐng)：大量的分子，尤其是有機(jī)分子，其轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)的躍遷在和振動(dòng)的躍遷在THz頻段表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收和色散

4、特性，從頻段表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收和色散特性，從而在而在THz頻譜中表現(xiàn)出特有的吸收峰。頻譜中表現(xiàn)出特有的吸收峰。運(yùn)用：毒品、爆炸物檢測(cè)。運(yùn)用：毒品、爆炸物檢測(cè)。6-50THz電磁波的應(yīng)用電磁波的應(yīng)用鑒定物質(zhì)鑒定物質(zhì)1212種化學(xué)樣品、生物樣品和爆炸物的種化學(xué)樣品、生物樣品和爆炸物的THzTHz譜譜7-50THz電磁波的應(yīng)用電磁波的應(yīng)用無(wú)損檢測(cè)無(wú)損檢測(cè)內(nèi)部設(shè)置內(nèi)部設(shè)置30個(gè)缺陷的航空個(gè)缺陷的航空絕熱泡沫照片絕熱泡沫照片0.2 THz連續(xù)波太赫茲圖像連續(xù)波太赫茲圖像8-50THz電磁波的應(yīng)用電磁波的應(yīng)用疾病診斷疾病診斷乳腺組織的切片照片乳腺組織的切片照片方框部位的放大照片及其方框部位的放大照片及其TH

5、z像像9-50THz電磁波的應(yīng)用電磁波的應(yīng)用安全檢測(cè)安全檢測(cè)某人的光學(xué)照片和利用某人的光學(xué)照片和利用0.094 THz波對(duì)人體透視圖像波對(duì)人體透視圖像10-50制約太赫茲波應(yīng)用的因素制約太赫茲波應(yīng)用的因素1. 1. 太赫茲電磁波本身的特性太赫茲電磁波本身的特性2.2.技術(shù)手段的限制技術(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(cè)器是推動(dòng)太赫茲技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。高、靈敏度好的太赫茲探測(cè)器是推動(dòng)太赫茲技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。11-50THz 源的種類源的種類 非相干的熱輻射源非相干的熱輻射源 (熱源熱源) 電子學(xué)的高

6、頻微波輻射源電子學(xué)的高頻微波輻射源 THz激光器激光器 基于非線性的光學(xué)發(fā)射源基于非線性的光學(xué)發(fā)射源 光電子輻射源光電子輻射源12-50相干相干THz源的發(fā)展歷史源的發(fā)展歷史超快光電子學(xué)超快光電子學(xué)光學(xué)光學(xué)電子學(xué)電子學(xué)13-50電子學(xué)方法電子學(xué)方法返波振蕩器返波振蕩器 (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電磁波的頻率由其減速系統(tǒng)的周期和電子速度決定1/2fU平均功率：幾百平均功率：幾百W-100 mW， 頻率頻率 1.5 THz14-50返波振蕩器返波振蕩器Backward Wave Oscillator）15-50電子學(xué)電子學(xué)耿氏振

7、蕩器耿氏振蕩器 （Gunn Diode）VDI Control and Bias BoxRF Input (17-18 dBm, 10.62-11.32 GHz)AmpSpacek A445-4XDoubler (D90)Doubler (D200)RF Output170-181 GHz16-50耿氏振蕩器耿氏振蕩器 （Gunn Diode）平均功率：平均功率：W- mW， 頻率頻率 2 THz不同頻段的輸出功率不同頻段的輸出功率17-50光學(xué)光學(xué)氣體激光器氣體激光器Gas Laser）SIFIR-50 FPLFar-Infrared Laser System平均功率：平均功率：mW-W，

8、頻率頻率: 0.9-7 THz18-50光學(xué)光學(xué)量子級(jí)聯(lián)激光器量子級(jí)聯(lián)激光器QCL）19-50光電子學(xué)光電子學(xué)半導(dǎo)體表面場(chǎng)半導(dǎo)體表面場(chǎng)EcFermi levelEvSurfacestatesAirSemiconductor-101-80 -60 -40 -20020406080Angle (degrees) GaAs裸片裸片,無(wú)偏置電場(chǎng)無(wú)偏置電場(chǎng)正入射時(shí)沒有正入射時(shí)沒有THz輻射輻射; 布儒斯特角布儒斯特角(qB) 時(shí)輻射最強(qiáng)時(shí)輻射最強(qiáng) GaAs輻射輻射THz強(qiáng)度與角度的關(guān)強(qiáng)度與角度的關(guān)qBqBqBqB20-50光電子學(xué)光電子學(xué)光致丹倍效應(yīng)光致丹倍效應(yīng) (photo-Dember Effect

9、 ) 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(chǎng)。該瞬態(tài)場(chǎng)向外輻射THz電磁波。airehehehehehehehehehehehehehehInAsDepthCarrier concentrationHoleElectronlightTHz waveInAs waferTHzTani, Sarukura, Johnston, Krotkus, Liu, etc21-50光電子學(xué)光電子學(xué)光致丹倍效應(yīng)光致丹倍效應(yīng) (photo-Dember Effect )24681012THz Amplitude (a.u.)Delay Time (ps) p-InAs n-GaAsp

10、-type InAs wafer (1016/cm3) 是最好的非偏置THz發(fā)射器。發(fā)射強(qiáng)度比最好的發(fā)射強(qiáng)度比最好的GaAs強(qiáng)強(qiáng)1600 times. p- InAs的的THz發(fā)射強(qiáng)度要比發(fā)射強(qiáng)度要比 n-InAs強(qiáng)幾倍強(qiáng)幾倍.22-50EO crystalInput laser pulse I(t, w, Dw)THz pulse ETHz(t, W)t) t (P) t (E22THzP(t)c(2)Dt, Dw 光整流效應(yīng)光整流效應(yīng) (Optical Rectification)t) t ( It) t (Pt) t ( J) t (E22)2(22THzc23-50光電子學(xué)光電子學(xué)光電

11、導(dǎo)天線光電導(dǎo)天線偶極天線發(fā)射THz波原理e-laser)(tJdtpdh+dttJdtE)()()(tJ+-p p = q a -+dipolepa 24-40影響天線發(fā)射功率的因素影響天線發(fā)射功率的因素光電導(dǎo)體光電導(dǎo)體性能良好的光電導(dǎo)體應(yīng)該具有盡可能短的載流子壽命、高的載流性能良好的光電導(dǎo)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。子遷移率和介質(zhì)耐擊穿強(qiáng)度。 離子注入離子注入GaAs：一些離子注入半導(dǎo)體材料一些離子注入半導(dǎo)體材料GaAs:As，GaAs:H，GaAs:N，GaAs:O可能成為低溫可能成為低溫LT-GaAs的替代產(chǎn)品。的替代產(chǎn)品。LT-GaAs 暗態(tài)電阻（

12、暗態(tài)電阻（107 cm） 載流子遷移率載流子遷移率100-300 m2/Vs） 載流子壽命載流子壽命0.25 ps ） 擊穿強(qiáng)度（擊穿強(qiáng)度（ 500 kV/cm）然而然而LT-GaAs的制備工藝的重復(fù)性不好，因?yàn)榈闹苽涔に嚨闹貜?fù)性不好，因?yàn)長(zhǎng)T-GaAs的性質(zhì)對(duì)的性質(zhì)對(duì)制備溫度和退火溫度依賴很強(qiáng)。制備溫度和退火溫度依賴很強(qiáng)。25-40影響天線發(fā)射功率的因素影響天線發(fā)射功率的因素天線結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)中采用偶極天線和傳輸線天線，其結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單。Emitterlaser pulseEV共振偶極天線共振偶

13、極天線傳輸線天線傳輸線天線26-40影響天線發(fā)射功率的因素影響天線發(fā)射功率的因素電極間隙電極間隙天線電極間隙對(duì)輻射天線電極間隙對(duì)輻射THz強(qiáng)度的影響強(qiáng)度的影響光能相同，光斑覆蓋電極照射光能相同，光斑覆蓋電極照射 屏蔽效應(yīng)屏蔽效應(yīng)27-40影響天線發(fā)射功率的因素影響天線發(fā)射功率的因素天線耐壓設(shè)計(jì)天線耐壓設(shè)計(jì)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)。以及所采取的絕緣保護(hù)措施有關(guān)。雙層全固態(tài)絕緣封裝工藝雙層全固態(tài)絕緣封裝工藝僅采用僅采用Si3N4絕緣保護(hù)的光電導(dǎo)天線的耐壓可以提高三倍，再加絕緣保護(hù)的光

14、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(chǎng)可以提高近十倍，即達(dá)到有機(jī)硅凝膠后，擊穿電場(chǎng)可以提高近十倍，即達(dá)到100 kV/cm。28-40影響天線發(fā)射功率的因素影響天線發(fā)射功率的因素天線工作溫度天線工作溫度Planken采用水冷裝置，可以給未加絕緣保護(hù)的采用水冷裝置，可以給未加絕緣保護(hù)的0.4 mm的光的光電導(dǎo)天線施加電導(dǎo)天線施加50 kHz， 400V的方波交流電壓，得到的方波交流電壓，得到THz電磁波的功率高達(dá)電磁波的功率高達(dá)100 W。不同電極寬度的天線不同電極寬度的天線有無(wú)熱沉的天線有無(wú)熱沉的天線gapwidth29-40影響天線發(fā)射功率的因素影響天線發(fā)射功率的因素刻蝕刻蝕

15、刻蝕也是提高擊穿場(chǎng)強(qiáng)的一種方法?？涛g也是提高擊穿場(chǎng)強(qiáng)的一種方法。電極未作刻蝕處理時(shí)，電極未作刻蝕處理時(shí)， 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；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。擊穿。30-40影響天線發(fā)射功率的因素影響天線發(fā)射功率的因素電極材料電極材料AuGeNi合金電極合金電極（1電極制備工藝的重復(fù)

16、性好；電極制備工藝的重復(fù)性好；（2退火后與退火后與GaAs材料形成材料形成歐姆接觸，表現(xiàn)出很高的電導(dǎo)歐姆接觸，表現(xiàn)出很高的電導(dǎo)率；率；（3傳統(tǒng)的制備工藝和多種退傳統(tǒng)的制備工藝和多種退火方式都可以采用?；鸱绞蕉伎梢圆捎?。Ti/Au電極電極（1一種不需退火的工藝。一種不需退火的工藝。（2與與GaAs形成肖特基接觸。形成肖特基接觸。-30-20-100102030-0.6-0.4-0.20.00.2Current (mA)voltage (V) AuGeNi ( X100 ) Ti/Au具有具有AuGeNi電極的天線和電極的天線和Ti/Au電極的天線的伏安特性曲線電極的天線的伏安特性曲線31-40影

17、響天線發(fā)射功率的因素影響天線發(fā)射功率的因素電極材料電極材料Ti/Au電極天線和電極天線和AuGeNi電極天電極天線的比較線的比較Ti/Au電極天線的穩(wěn)定性電極天線的穩(wěn)定性32-50提提 綱綱太赫茲技術(shù)和應(yīng)用太赫茲技術(shù)和應(yīng)用 太赫茲波的產(chǎn)生1 太赫茲波的檢測(cè)2 太赫茲波光譜3 太赫茲波成像4 533-40量熱輻射計(jì)量熱輻射計(jì) （Bolometer）T0T 非相干測(cè)量 0.1 THz 100 THz NEP: 4.510-15 W/Hz1/2 R = 8.14106 V/W 吸收體吸收體熱源熱源熱敏電阻熱敏電阻PTHzPbias34-40高萊探測(cè)器高萊探測(cè)器 （Golay Cell） 非相干測(cè)量

18、0.1 THz 100 THz NEP: 10-10 W/Hz1/2 R = 1.5105 V/W 35-40熱釋電探測(cè)器熱釋電探測(cè)器 （Pyroelectric detector） 非相干測(cè)量 0.1 THz 100 THz NEP: 10-9 W/Hz1/236-40肖特基二極管肖特基二極管 （Schottky Diode） 相干測(cè)量相干測(cè)量 1.8 THz NEP: 10-10 W/Hz1/237-50太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng) THz time domain spectroscopy (THz-TDS)38-50太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng) THz time doma

19、in spectroscopy (THz-TDS)39-40時(shí)域波形和頻譜時(shí)域波形和頻譜-0.020.000.020.04020406080100-0.030.03 THz amplitude (a.u.) Signal Time Delay (ps) Background (x10-4)0123410-810-710-610-510-410-3 Signal Background Frequency (THz)THz Amplitude (a.u.)時(shí)域波形時(shí)域波形頻譜頻譜信噪比：信噪比：SNR=最大值最大值噪聲的均方根噪聲的均方根動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍Dynamic Range）：）： DR=峰

20、峰值峰峰值噪聲的均方根噪聲的均方根40-50輝光放電探測(cè)器輝光放電探測(cè)器 （Glow Discharge Detector）氖燈可以用作氖燈可以用作GDD，其中包含了，其中包含了 99.5% 的氖氣和的氖氣和0.5%的氬氣。的氬氣。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 廉價(jià)廉價(jià) ( $1); 很高的電學(xué)耐受性很高的電學(xué)耐受性 （Electronic ruggedness）; 寬帶寬帶 (THz, IR, UV, X-ray, -ray); 室溫操作室溫操作; 響應(yīng)速度快響應(yīng)速度快 (ms的上升時(shí)間的上升時(shí)間). 什么是輝光放電探測(cè)器什么是輝光放電探測(cè)器 （GDD）？）？41-50工作原理工作原理增強(qiáng)的級(jí)聯(lián)電離增強(qiáng)的級(jí)聯(lián)

21、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。放電電流的增加。電磁波電磁波信號(hào)信號(hào) GDD微波微波, THz波波, 紅外紅外, 紫外紫外, X-射線射線 & -射線射線05101520time (ms)current (A)EM signalmodulation signal-1.0-0.50.00.51.0 42-50實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置電磁波源電磁波源:1) 耿氏振蕩器耿氏振蕩器 (40 mW at 0.2 THz)2) 返波振蕩器返波振蕩器 (6.3 mW at 0.1 THz and 29 mW at 0.

22、37 THz) 3) 飛秒激光器飛秒激光器 (350 mW at 800 nm)4) 紫外射線槍紫外射線槍 (90 mW at 200 400 nm)實(shí)驗(yàn)電路示意圖實(shí)驗(yàn)電路示意圖43-50實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果: 金屬反射器的增益金屬反射器的增益用具有金屬屬反射器和沒沒有金屬屬反射的GDD獲獲得的THz波的信號(hào)號(hào)(40 mW at 0.2 THz) 金屬屬反射器能夠夠把信號(hào)號(hào)放大 4 倍!金屬反射器金屬反射器05101520-10-50510voltage (mV)time (ms) with metallic reflector without metallic reflector 44-50實(shí)驗(yàn)

23、結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果: THz信號(hào)信號(hào)根據(jù)源的能量歸歸一化處處理 的THz測(cè)測(cè)量信號(hào)號(hào)(6.3 mW at 0.1 THz, 40 mW at 0.2 THz, and 29 mW at 0.37 THz)05101520-0.50.00.5voltage (mV)time (ms) 0.1 THz 0.2 THz 0.37 THz45-50實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果:響應(yīng)率響應(yīng)率0.1 THz0.2 THz 0.37 THz無(wú)放大器無(wú)放大器1.02 V/W0.30 V/W0.14 V/W有放大器有放大器(增益增益 = 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響應(yīng)率

24、隨著入射頻率的增加減小: 玻璃壁的吸收玻璃壁的吸收: The collision frequency () is less than 100 GHz.46-50實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果: 紅外信號(hào)紅外信號(hào)紅紅外光的測(cè)測(cè)量信號(hào)號(hào) (350 mW at 800 nm) (a) 陽(yáng)極陽(yáng)極, (b) 在法拉第區(qū)區(qū)和陰極輝陰極輝光區(qū)區(qū)之間間 (c) 陰極陰極 GDD陽(yáng)極陽(yáng)極陰極陰極法拉第區(qū)法拉第區(qū)-50505101520-40040-50 (c)(b)(a) (mV)(mV)(V)voltagetime (ms)47-50實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果: 紫外信號(hào)紫外信號(hào)紫外光的測(cè)測(cè)量信號(hào)號(hào) (90 mW at 200 40

25、0 nm)05101520 Modulation Signaltime (ms)voltage (mV)-505 UV Signal 48-50THz干涉儀干涉儀THz干涉儀干涉儀Gunn OscillatorGDDBS用用GDD測(cè)得的測(cè)得的THz相干信號(hào)相干信號(hào)051015202530050100150voltage (mV)time (ps)49-50THz 干涉儀干涉儀用用GDD測(cè)得的測(cè)得的THz信號(hào)的頻譜信號(hào)的頻譜0.10.20.30.00.20.40.60.81.0 amplitude (a.u.)frequency (THz) BroadbandDetector用用GDD、肖特基二極管和熱釋電、肖特基二極管和熱釋電探測(cè)器測(cè)得的探測(cè)器測(cè)得的THz信號(hào)的頻譜信號(hào)的頻譜0.00.20.40.60.81.010-510-410-310-21