中物院太赫兹自由电子激光:设计、运行及升级

中物院太赫兹自由电子激光(CTFEL)装置是我国第一台基于超导加速器的高重复频率、高平均功率太赫兹自由电子激光装置。CTFEL利用光阴极直流高压电子枪和超导加速器产生约8 MeV电子束在波荡器中产生自发太赫兹(THz)辐射,并在光腔中受激放大获得饱和输出。得益于在0.7~4.2 THz频谱范围内连续可调以及平均功率大于10 W的特性,CTFEL为材料动力学、太赫兹成像、太赫兹生物学等领域提供了独特的研究平台。自2018年开放成为用户装置以来,每年提供不少于1000 h的稳定出光。未来CTFEL将在现有基础上升级成为红外太赫兹自由电子激光装置,实现太赫兹频率全覆盖以及最大功率大于100 W的目标,力争成为世界先进的长波长自由电子激光装置。     

中国工程物理研究院红外太赫兹自由电子激光装置总体设计

中国工程物理研究院红外太赫兹自由电子激光装置是一台用于材料、光谱、生物、医学等领域前沿研究的多功能用户装置,在实验室现有的太赫兹自由电子激光装置（CTFEL）基础上,拟新增两套2×9-cell超导加速单元和两台波荡器,将电子能量提升至最大50 MeV,输出频率覆盖范围拓展至0.1～125 THz,最大宏脉冲功率大于100 W。同时,采用跑道型束线设计,拟建设一台小型能量回收型直线加速器实验研究平台。本文主要介绍了中国工程物理研究院红外太赫兹自由电子激光装置的总体设计、工作模式以及用户实验站布局。     

太赫兹宽带分谐波混频器设计

太赫兹分谐波混频器的变频损耗、噪声系数等指标与基波混频器相近,且本振频率为射频频率的一半,大大 降低了本振源的设计难度和制作成本,是高性能太赫兹接收前端的关键部件。本文介绍了一种覆盖全波导带宽的太赫 兹宽带分谐波混频器的设计,对电路中射频波导至悬置带线过渡结构和本振中频双工器进行仿真和优化设计。并以 0.14~0.22THz 分谐波混频器为例进行设计和制作,测试结果表明0.14 ~0.22THz 分谐波混频器在全波导频段内最大变频 损耗低于15dB,中频3dB 带宽大于20GHz。     

太赫兹宽带分谐波混频器设计

太赫兹分谐波混频器的变频损耗、噪声系数等指标与基波混频器相近,且本振频率为射频频率的一半,大大降低了本振源的设计难度和制作成本,是高性能太赫兹接收前端的关键部件。本文介绍了一种覆盖全波导带宽的太赫兹宽带分谐波混频器的设计,对电路中射频波导至悬置带线过渡结构和本振中频双工器进行仿真和优化设计。并以0.14~0.22THz分谐波混频器为例进行设计和制作,测试结果表明0.14~0.22THz分谐波混频器在全波导频段内最大变频损耗低于15d B,中频3d B带宽大于20GHz。     

飞秒激光的等离子体吸收太赫兹特性研究

在利用飞秒激光器产生太赫兹波的过程中,等离子体本身会对太赫兹波能量进行吸收,其吸收特性在太赫兹波雷达探测、等离子体隐身、电磁干扰研究等方面有着广泛的应用前景。结合理论分析设计了一种等离子体吸收太赫兹波的测量系统,提出等离子体粒子间相互碰撞吸收是导致等离子体吸收太赫兹波的主要原因,并在实验测量研究中发现等离子体密度大小、光学透镜焦距长短以及入射飞秒激光与倍频晶体晶轴角度是影响吸收程度的主要因素,这些研究为等离子体吸收应用提供了更加全面的理论支撑,有助于推动太赫兹波技术在军事及民用领域的快速发展。     

太赫兹行波管的研究进展

太赫兹行波管具有输出功率高、频带宽、紧凑轻便等优点,是一种理想的太赫兹辐射源,可望在军事、民用领域得到广泛应用。本文对国内外太赫兹行波管的研究现状进行了较详细的介绍和归纳总结,并对其发展趋势做了论述分析。     

宽带太赫兹偶极子光电导接收天线研究

太赫兹光电导天线广泛应用于宽带脉冲太赫兹波的检测,是太赫兹光谱和成像系统中的重要器件。偶极子光电导天线由于其结构简单、制作容易成为使用最广泛的一类太赫兹光电导接收天线。衡量太赫兹光电导探测天线的一个重要指标是其响应带宽。针对偶极子天线的探测带宽,分别对天线臂长为10、50、150 m的偶极子天线及一种作为对比的178 m的蝶形天线（Bowtie antenna）进行了实验及理论研究。结果显示其探测带宽随天线臂长增加而减小,与微波天线理论一致。进一步的,采用商用电磁场数值仿真软件进行建模仿真,仿真结果与理论及实验结果具有很好的一致性,证实数值仿真已在很大程度上模拟出实际天线的特性,从而为优化结构参数制作大宽带和高灵敏度的太赫兹天线提供支持。同时,对超半球硅衬底透镜对天线接收频谱的影响也进行了探讨。     

复合石墨烯/硅半球的宽带太赫兹超材料吸收器

提出了一种性能可调的宽带、极化与入射角不敏感的超材料太赫兹吸收器,该吸收器自上而下分为四层结构,分别是:硅半椭球/半球体复合结构、连续石墨烯层、PDMS介质层和金属背板。通过在TE波垂直入射条件下仿真,在已知结果基础上,对不同石墨烯化学势和不同结构条件下的电场结果分析表明,在硅半椭球/半球体亚波长复合结构所形成的连续、多模法布里-珀罗共振,以及由石墨烯所激发的多个离散的等离子体共振的协同作用下,其吸收光谱得到平滑和扩展,使该结构可实现吸收率宽范围可调,以及接近100%吸收率的宽频带吸收特性。特别的,当石墨烯化学势分别为0.2与0.9 eV时,其分别可获得约5.7 THz与7 THz的宽带太赫兹波吸收（吸收率超过90％）,且其最大吸收率接近完美吸收（约99.8％）。此外,该结构还具有360°极化不敏感和高于60°的入射角不敏感等优异特性,在以上角度范围内,吸收器吸收率仍可保持到90%以上。在太赫兹波探测、光谱成像以及隐身技术等方面具有潜在的应用前景。     

太赫兹计量研究进展

太赫兹技术的独特性和优越性吸引着众多科学研究者的关注,在生物医药、信息科学、公共安全、量子研究和太空探测等领域具有巨大应用潜力。这些应用的有效性和可信度都需要以太赫兹相关参数的量值溯源为前提。文章以太赫兹光谱、频率、功率和强度等参数为对象,介绍了太赫兹计量研究的最新进展,分析了各种计量技术的特点,以期促进太赫兹计量技术发展,保障太赫兹研究和应用的量值可靠。     

太赫兹科学与技术

太赫兹电磁波段的开发和利用具有重大的科学意义和潜在的应用价值,太赫兹科学技术已经成为本世纪最为重要的科技问题之一,除了本身具有很多重大的科学问题之外,它还是一种非常有效的研究手段。介绍了太赫兹科学技术的发展历史及国内外相关的发展情况,列举了太赫兹波的独特性质,概述了太赫兹科学技术在基础研究领域和应用研究领域的新进展。     

基于肖特基二极管的宽带低本振功率太赫兹四次谐波混频器

介绍了基于反向并联肖特基二极管的宽带低驱动功率太赫兹四次谐波混频器。详细地分析了二极管寄生参量与混频器性能间的关系。为了降低四次谐波混频器的最佳本振功率,对肖特基二极管的主要参数进行了优化。实际测试结果显示,在 7 mW 的最佳本振功率驱动下,该四次谐波混频器在 340 - 490 GHz的宽带内,变频损耗在 14.2 - 20 dB 之间。同时,该频段内的混频器噪声温度为 4020 ~ 17100 K。     

一种高选择性的宽带滤波功分器

为了实现无线通信系统的小型化,设计了一种同时具有滤波和功分功能的器件.将传统Wilkinson功分器中的两个四分之一波长传输线替换为两个具有带通响应的滤波器.同时,为了实现两个端口之间良好的隔离,将一个电阻安放在两个输出端口之间.利用奇偶模的分析方法,推导出了该滤波功分器的设计公式.实验结果表明,该器件的3 dB带宽达到了62%,在低频段和高频段的抑制度分别达到了38.4 dB和31.4 dB（2.67f₀）,该器件非常适用于小型化无线通信系统.     

基于键合金丝补偿的太赫兹瓦级功率合成技术研究

针对太赫兹波段固态大功率应用需求,基于氮化镓功率放大器单片集成电路（Monolithic Microwave Integrated Circuit,MMIC）,采用功率合成技术实现了太赫兹波段瓦级功率输出。通过太赫兹波段微带/波导转换结构和键合金丝补偿技术,结合E面T型结二路合成功率分配/合成器,将两片MMIC封装成最大输出功率为160 mW的功率单元模块。在此基础上,采用八路E面合成器设计了频率覆盖180～238 GHz的十六路功率合成放大器。在漏极电压为+10 V时,带内输出功率大于300 mW,189 GHz输出功率达到了1.03 W。     

An ultra wideband Wilkinson power divider

The challenge facing SerDes (Serialiser De-Serialiser) designers is common with all current communications technologies. Industry advances show a trend to increase speed, reduce power and improve efficiency. In this article a novel line driver that can operate at speeds of up to 40 Gbps with a power supply of 1?V and a power consumption of 4.54?mW/Gb/s is presented. Pre-distortion on the front-end is used to maintain signal integrity.     

宽带线性功率放大器的设计

根据宽带功率放大器设计的基本原理,通过采用LDMOS场效应晶体管、实频技术法以及前馈线性化技术,同时利用ADS软件平台,成功设计出一款工作带宽为50~550MHz的宽带线性功率放大器,实现了多倍频程带宽、高增益、良好平坦度及小输入/输出驻波比。通过ADS仿真和优化,得到了比较满意的结果。     

5V单电源供电的低噪声宽带放大器

以单片机MSP430F449为控制核心,设计了一个5 V单电源供电的低噪声宽带放大器。采用单位增益稳定低噪声运放OPA820作为前级放大,高速运放THS3091作为末级放大,其中利用DC-DC变换器TPS61087将5 V电压转化为18 V从而为末级放大电路供电。此外,系统还采用12位高速A/D转换器ADS803实现了测量并数字显示放大器输出电压峰峰值的功能,测量误差小于5%。本系统最高电压增益达到43 dB,上限及下限截止频率达到15 MHz和20 Hz,在50Ω负载上,最大不失真输出电压峰峰值为4.2 V。系统的输出噪声小于200 mV。     

曲折双脊槽波导高功率宽频带太赫兹行波管

提出一种改进的曲折槽波导—曲折双脊槽波导提高太赫兹行波管的功率和带宽.针对这种新型慢波结构设计了一种新的传输波导作为输入输出能量耦合器.从高频特性仿真结果可以发现曲折双脊槽波导可以提高耦合阻抗并扩展带宽.此外, 粒子仿真结果表明当电子注加载27.4kV电压和0.25A电流时, 新型曲折双脊槽波导行波管在中心频率340GHz处输出功率能达到65.8W同时对应增益27.21dB.因此, 曲折双脊槽波导行波管可以用作宽带和高功率太赫兹辐射源.     

半导体太赫兹源综述

太赫兹技术可以应用于信息科学,生物,医学,天文和环境科学等方面,而太赫兹源是太赫兹应用的关键器件。作者针对半导体太赫兹源如GaAs1-xNx二极管、量子阱负有效质量太赫兹振荡器和太赫兹量子级联激光器做了一个简要的回顾。掺杂的GaAs1-xNx二极管在直流偏压下的电流自振荡行为得到了研究,发现电流自振荡与这种独特材料体系非抛物线型导带的负微分速率效应相关。量子阱负有效质量p pp 二极管通过考虑杂质散射、光学声子和声学声子散射研究了其电流自振荡和瞬时电流形态,研究发现偏压和掺杂浓度会对电流自振荡频率产生很大影响,负有效质量p pp 二极管可以用作可电学调制的太赫兹源。此外,我们通过蒙特卡洛模拟对共振声子结构的太赫兹量子级联激光器进行了器件参数的优化,结果表明注入势垒宽度、掺杂浓度和声子抽取能级差设计对计算增益有很大的影响,我们的计算结果与实验结果一致。     

基于超薄钽酸锂晶体材料高响应太赫兹探测器

太赫兹(Thz)探测器工作在室温条件下极大地促进了太赫兹科学与技术的应用。超薄(10μm)钽酸锂(LiTaO3)晶片被用作太赫兹探测器敏感元材料。基于钽酸锂晶片太赫兹探测器在2.52 THz激光辐射源照射下, 20Hz斩波频率时响应率可达到8.38×104V/W, 等效噪声功率NEP)可达到1.26×10-10W。这种加工超薄钽酸锂晶片的方法为制备高响应率太赫兹探测器提供了一个可行的方法。     

应用于太赫兹源信号实现的宽带四倍频链路设计

由于集成电路工艺截止频率Ft的限制,直接通过振荡器获取的太赫兹信号源具有输出功率低、带宽较窄等问题。针对该问题,提出一种可实现高性能太赫兹源的宽带倍频链路设计。对比了传统push-push技术与改进的跨导增强push-push技术,并提出将跨导增强push-push技术运用到倍频器中,提高了倍频链路的倍频增益;在链路级间采用具有幅度与相位纠正功能的新型有源巴伦结构,进一步提高了倍频器的倍频增益与谐波抑制性能。仿真结果表明,倍频链路可实现带宽为210~256 GHz,饱和输出功率为-0.5 dBm,峰值倍频增益为-0.55 dB的太赫兹信号源,链路的总直流功耗仅为30.6 mW。