双色激光场下太赫兹辐射能量的调控研究

提升太赫兹(THz)脉冲产生能量一直是近些年超快光学的研究热点之一。基于双色激光在空气中拉丝产生THz波的数值模型,在隧穿电离范围内,详细分析了双色激光场产生THz波的最佳参数组合以及其产生变化的物理机理,用于得到最强的THz波辐射能量。双色激光场组合的电场具有不对称性,其引起的快速振荡有利于电子的加速过程,进而产生更大电子数密度以及在沿拉丝距离形成了更强的累积净电流。当电子密度和净电流增加时,使得单点THz辐射更强,拉丝各点辐射的THz波相干叠加,于是在远场得到了更强的THz波能量。这些研究结果为不同激光产生条件下增强THz波辐射能量提供了详尽的参数分析及理论依据,重点研究了不同寻常波长组合及不同相对相位对激光拉丝产生太赫兹波的影响,对后续大幅增强THz辐射效率具有重要意义。     

一种 MEMS 三维电场传感器抗电荷干扰方法研究

三维电场传感器具有广泛的应用需求。在传感器应用环境中存在空间电荷的条件下,带电粒子有可能在电场传感器表面产生电荷积累,对电场检测造成干扰,这是影响测量准确性的一个关键因素。尤其对于MEMS三维电场传感器,尚缺乏相关的机理研究和解决方案。针对这个问题,作者探究了表面电荷积累对传感器感应待测电场的影响,分析了电荷积累产生的干扰与传感器结构尺度的关系,并通过有限元仿真和实验验证了理论分析的正确性。在此基础上,提出一种通过对传感单元感应信号的差分解算消除传感器表面电荷积累对电场测量影响的方法。本文研制出抗电荷干扰的三维电场传感器样机。实验表明,在0～30 kV/m待测电场范围内,传感器测量误差在4.2%以内。     

用于爆炸辐射电磁脉冲时域测量的集成光波导电场传感器研制

针对爆炸辐射电磁脉冲(EMP)上升沿快、脉宽窄、峰值场强高等特点,设计并研制出一种集成光波导宽带电场传感器。使用标准雷电电磁脉冲(LEMP)对研制的传感器进行时域标定得出,传感器能够不失真地测量出LEMP的时域波形,且最小和最大可测电场分别约为1.4和10.8 kV/m;使用连续波电场对传感器进行频域标定得出,传感器最小可测电场为52.5 mV/m,且在9 kHz～1 GHz响应波动在±4 dB以内。最后在国内某试验基地搭建了基于研制的光波导电场传感器的爆炸辐射EMP现场测试系统,分别对距爆炸点不同距离处的辐射EMP进行时域测量。结果表明,爆炸辐射EMP的产生滞后爆炸发生约几毫秒;辐射EMP为一系列双极性脉冲组成的脉冲串,单个脉冲宽度在100μs以内,脉冲串宽度在2 ms以内,频率在17.5～35 kHz;在距离爆炸物5 m以内的爆炸辐射EMP峰值场强在5～10 kV/m。本文研制的光波导电场传感器具有全无源、宽带宽、对被测电场干扰小、体积小、强抗电磁干扰等特点,为爆炸辐射EMP的时域测量提供了一种新的技术手段。     

宽谐振区光学纳米天线的谐振

提出了一种有双谐振频率和较宽谐振区域的纳米天线结构.利用有限积分法,计算了由金构成的表面等离子体光学纳米天线的谐振特性,研究了在谐振区域内谐振频率和谐振电场随位置变化的情况.结果表明,在不同谐振频率下存在两个谐振电场,在中间区域,谐振频率为270 THz,在侧边间隙区,谐振频率为390 THz;激励源为1 V/m时,其谐振电场均达700 V/m以上,是普通偶极子天线的18倍;第一谐振区域的谐振场集中在10～25 nm,在此范围内,谐振电场较大、谐振频率几乎不变;加上折射率为1.5的玻璃衬底后,天线的谐振电场达到800 V/m,与没有衬底时相比,谐振频率变化很小.研究的天线结构在高性能的光学纳米天线、太阳能电池和生物传感器方面有潜在的应用价值.     

一种基于电场测量的无损检测方法

提出一种基于电场测量的无损检测方法,该方法通过检测通电试件外电场的变化来实现内外缺陷的非接触检测。对通电试件的电场进行仿真计算,模拟出电场的分布并分析了缺陷电场的信号特征。以半导体材料为被测试件,在高电压激励下采用被动式的共面电容探头探测到了内外缺陷的电场信号。实验与仿真结果的一致性表明,采用该方法对金属和非金属材料进行内外伤的检测具有一定的可行性。     

一种新型微加工交直流电场传感器设计

提出一种灵敏度和测量范围可调的交流/直流电场传感器设计方案.该传感器采用绝缘体微加工工艺制造,由微弹簧支撑的金属膜组成,其工作原理为金属膜在入射电场作用下产生位移,并由光电探测器检测相应的输出电流差值.该传感器与传统电场传感器不同,无需旋转部件,避免了相关的磨损和维护等问题.利用激光位置监测系统实现了高灵敏度监测,通过...     

基于渡越-切伦科夫辐射原理太赫兹横向场频率特性的实验研究

基于渡越-切伦科夫辐射原理,单色飞秒激光脉冲聚焦到空气中形成等离子体进而辐射出径向偏振太赫兹波,径向偏振太赫兹波经过紧聚焦后在焦点处产生太赫兹波横向偏振分量。为了有效调控太赫兹横向分量的频率分布和振幅特性,首先,通过理论分析太赫兹横向场分量在外加电压下的分布规律,给出不同角度的外加电压对太赫兹横向场频率强度的影响。然后,采用对等离子体施加外部电场的方法,得到一个最佳的纵向电场角度产生高强度太赫兹横向偏振分量。对发展太赫兹波特性的基础研究以及太赫兹技术的应用具有重要的参考意义。     

用于离子迁移率谱仪的瞬态漂移电场研究

根据离子在大气环境下弱电场中的运动规律,提出利用低电压建立瞬态漂移电场实现离子漂移的新方法,大大降低了建立漂移电场所需的电源电压.设计和制备了一种用于离子迁移率谱仪(IMS)的瞬态漂移电场控制电路系统,主要包括时序控制电路和高速开关电路,可以按实验要求调整瞬态漂移电场的强度及周期.进行了瞬态漂移电场原理实验并与传统IMS对照,初步验证了利用瞬态电场实现离子漂移的可行性.     

铁电材料光伏机理及其光伏性能的调控机制

铁电材料因自身极化电场的存在而具有独特的光伏性能,在诸多领域应用广泛,特别是在光伏发电方面.从窄带隙铁电材料的制备方法、氧缺位自掺杂增强可见光吸收、复合异质结构建、多极轴分子铁电体制备、外加极化场调控铁电材料内部电畴朝向与分布等方面综述了铁电材料内电场的产生机理(光伏机理)及其调控机制对铁电材料光伏性能的影响,指出了通...     

四极质谱计中电场分布与电极的关系

在四极质谱计中,四极电场的电位分布与仪器的性能密切相关。理想的电位分布是双曲线等位场(本文讨论的是电极之间电位分布的问题,电极形状用其截面外形的相应曲线代表),由于双曲线形状难于加工,许多仪器采用圆电极。为了了解影响电位分布的主要因素,以便指导对电极的加工,本文不仅讨论了截面分别为双曲线和圆电极之间的差异,而且讨论了另外两种结构,它们是一段圆弧加两段切线与一段双曲线加两段切线组成的电极所形成的四极场。计算结果得出结论:四极电场的电位分布主要取决于电极截面曲线上的中心部位一小段区域的几何形状。在计算圆截面电极的四极电场时,考虑了不同半径屏蔽罩对电场的影响。当屏蔽半径与四极场半径之比大于3.54时,屏蔽罩半径的变化对四极电场的电位分布影响不大。本文还分析了电极的位置误差和电极截面尺寸误差对电场的影响。电极的位置误差比几何尺寸误差对四极场的影响要大得多。另外,它们对电位分布的影响与误差量的正负无关。     

Terahertz microlens array emitter based on the transverse Dember cross effect

A new method for generating terahertz radiation by exposure to femtosecond laser pulses on the semiconductor surface is proposed. The essence of this method is that the exciting radiation intensity is subjected to spatial modulation by using a microlens array and by shading a part of the semiconductor surface by metal stripes. This gives rise to a concentration gradient of photo carriers along the surface at the sharp boundary of the metallic coating in the semiconductor (transverse Dember photoelectric effect), and its relaxation for times of ～1 ps results in the emission of electromagnetic pulses of the terahertz range. A terahertz emitter model based on the proposed method was developed and designed, its efficiency was demonstrated, and methods for increasing its efficiency were considered.     

基于半导体的可调谐太赫兹滤波器研究

太赫兹滤波器在通信、传感、成像等领域有着广泛的应用。提出了一个基于半导体材料砷化镓的周期性微结构可调谐太赫兹滤波器,并对半导体材料的电介质特性以及微结构的太赫兹滤波特性进行模拟研究。提出了基于光栅结构的太赫兹滤波器,用CST软件时域有限差分法(FDTD)进行模拟仿真,0.1~5.0THz频段的太赫兹波垂直入射光栅表面,在225~325K范围内可获得工作频率为0.35~1.51 THz,1.16 THz的滤波带宽,同时保持透过率在85%以上,这对太赫兹滤波器的滤波带宽和透过率的提升具有重大意义。     

太赫兹光谱和成像应用及展望

作为近年来颇受科技界和各国政府重视的一个新兴学科和技术领域,太赫兹辐射具有不同于其它波段电磁波的许多独特性质,因而在物理、化学、生物、材料、医学、农业、国防和军事等领域具有广阔的应用前景.结合国内外研究和应用的现状,本文概述了太赫兹时域光谱、太赫兹成像以及太赫兹技术在物理学、化学、生物学和天文领域的应用和机遇,供广大同行参考.     

A terahertz spectrometer with a pulsed high magnetic field

A terahertz (THz) spectrometer based on backward-wave tubes and combined with a pulsed-magnetic-field generator with a pulse duration of ～100 μs and an amplitude of up to 50 T is described. This spectrometer is indented for studying magnetic resonances of various magnets in the THz frequency range (30 GHz-1.5 THz) in the Faraday (longitudinal field) and Voigt (transverse field) geometries. Its operating principle is based on measurements of the change in the transmission of polarized THz radiation by studied samples exposed to an applied pulsed magnetic field. Its advantage over the magnetic-resonance technique, in which radiation guides with uncontrolled radiation polarization are used, is the possibility of performing precise polarization measurements necessary for determining the conditions for excitation of resonance magnetic modes and yielding important information on the magnetic structure of materials. The results of polarization measurements of test samples are presented. The degree of radiation polarization is 99.99%; the dynamic measurement range is 25 dB; the measurement accuracy is no worse than 1%; the time resolution of the recording system is 1s; the magnetic-field inhomogeneities at the solenoid’s center at a base of ±2 mm are no worse than 1 (experimental) and 5% (calculated) for the axial and radial components, respectively; and the maximum stored energy is 40.5 kJ.     

单层MoS2和WS2的太赫兹近场显微成像研究

采用太赫兹散射式扫描近场光学显微镜(THz s-SNOM)研究了化学气相沉积法制备的单层MoS₂和WS₂晶粒的太赫兹近场响应。在没有可见光激发时,未探测到可分辨的太赫兹近场响应,说明晶粒具有较低的掺杂载流子浓度。有可见光激发时,由于光生载流子的太赫兹近场响应,能够测得与晶粒轮廓完全吻合的太赫兹近场显微图。在相同的光激发条件下,MoS₂的太赫兹近场响应强于WS₂,反映了两者之间载流子浓度或迁移率的差异。研究结果表明,THz s-SNOM兼具超高的空间分辨率和对光生载流子的灵敏探测能力,对二维半导体材料和器件光电特性的微观机理研究具有独特的优势。     

散射式太赫兹扫描近场光学显微技术研究

基于散射式近场探测原理,设计并搭建了散射式太赫兹扫描近场光学显微系统(THz s-SNOM),实现了纳米量级空间分辨率的太赫兹近场显微成像测量。该系统以输出频率范围为0.1~0.3THz的太赫兹倍频模块为发射源,通过纳米探针的针尖产生纳米光源与样品相互作用,并将样品表面的倏逝波转化为可在远场测量的辐射波。通过探针逐点扫描样品表面,同时获得了样品表面的形貌图和太赫兹近场显微图。该系统的显微分辨率取决于探针针尖的曲率半径,而与太赫兹波的波长无关。使用该系统测量了金薄膜/硅衬底样品和石墨烯样品的近场显微图,结果表明,近场显微的空间分辨率优于60nm,波长与空间分辨率之比高达λ/26000。     

太赫兹科学技术的发展与实验室建设

近年来,太赫兹科学技术受到了世界各国政府、企业和科技部门的高度重视,得到了迅猛的发展,这不仅是因为太赫兹波本身具有独特的性质,更因为太赫兹科学技术给人们展示了广阔的应用前景。本文首先对太赫兹波及其有关特性进行介绍,说明太赫兹科学技术具有重要的学术价值和重大的应用前景。其次,重点说明太赫兹辐射源和探测技术的发展,进而介绍我们实验室在太赫兹波谱与成像方面所开展的一些工作。最后,结合太赫兹光电子学重点实验室的建设,介绍我们实验室正在开展的研究工作。     

太赫兹光谱和成像技术及其应用

介绍了太赫兹光谱和成像技术的有关方面，特别是基于飞秒激光的太赫兹辐射和探测技术，以及太赫兹光谱和成像技术在国家安全、材料诊断、无损检测和生物医学方面的应用。对于太赫兹技术存在的问题以及今后发展方向，作了简要的论述。     

Nanoscopic voltage distribution of operating cascade laser devices in cryogenic temperature

A nanoscopic exploratory measurement technique to measure voltage distribution across an operating semiconductor device in cryogenic temperature has been developed and established. The cross‐section surface of the terahertz (THz) quantum cascade laser (QCL) has been measured that resolves the voltage distribution at nanometer scales. The electric field dissemination across the active region of the device has been attained under the device's lasing conditions at cryogenic temperature of 77 K.     

Generation, transport, and detection of linear accelerator based femtosecond-terahertz pulses

The generation and detection of intense terahertz (THz) radiation has drawn a great attention recently. The dramatically enhanced energy and peak electric field of the coherent THz radiation can be generated by coherent superposition of radiated fields emitted by ultrafast electron bunches. The femtosecond (fs)-THz beamline construction at the Pohang Accelerator Laboratory (PAL) was completed in the end of 2009. The fs-THz beamline at PAL can supply ultrafast and intense fs-THz radiation from a 75 MeV linear accelerator. The radiation is expected to have frequency up to 3 THz (～100 cm(-1)) and the pulse width of <200 fs with pulse energy up to 10 μJ. This intense THz source has great potential for applications in nonlinear optical phenomena and fields such as material science, biomedical science, chemistry, and physics, etc.