超快强激光泵浦强太赫兹源及其驱动的材料非平衡态研究进展

太赫兹源是太赫兹科学技术发展和相关应用研究的基础。超快激光为太赫兹的产生和探测提供了稳定、可靠的激发光源。超快激光泵浦各种激发介质可以产生太赫兹波,激发介质主要有4类：1）固体介质,如光电导天线、晶体等;2）气体介质,如空气;3）液体介质,如液态水、液态镓、液氮等;4）等离子体介质,如钛薄膜、金属铜箔。太赫兹场强的进一步提高催生了人们对强场太赫兹与物质的相互作用以及太赫兹非线性光谱学的研究,太赫兹不仅能作为探测物性的手段,其发射光谱亦可以实现对材料中非平衡态载流子与晶格、自旋等有序度的强耦合。本文综述了超快激光激发数种不同类型介质产生太赫兹源的国内外研究发展历程,包括其工作原理以及目前存在的问题,总结了目前强场太赫兹波在物态调控方面的应用,以及太赫兹时间分辨光谱在新型物态探测方面的应用,最后展望了太赫兹源未来的发展趋势和应用前景。     

光整流太赫兹源及其研究进展

太赫兹科学技术是近20年来发展起来的一门新学科,其关键技术是太赫兹波的产生和探测.本文介绍了光整流太赫兹源的辐射原理、国内外研究情况、存在的问题等.今后其发展方向主要应为通过掺杂等手段改进光电导材料的光电特性,提高材料的相位匹配能力和减小饱和现象来提高辐射的功率和效率.     

低温生长砷化镓光电导天线产生太赫兹波

宽频太赫兹(THz)技术在国防、科研等领域有着广阔的应用前景,光电导天线是产生宽频THz波的重要手段.分析了低温生长和高温退火对光电导天线材料载流子寿命和电阻率的影响.在生长温度为230℃和250℃,退火温度为475℃的低温生长砷化镓(LTG-GaAs)上制备了领结(BowTie)和偶极子(Dipole)两种电极结构的小孔径光电导天线.实验给出,在250℃生长的LTG-GaAs上制备的光电导天线产生的太赫兹波辐射强度和频谱宽度较好,谱宽达到了3.6 THz,BowTie天线的辐射强度优于Dipole天线.两种形状的光电导天线皆可在10 V的偏置电压下产生太赫兹波辐射.     

偏振可调的太赫兹光电导天线设计北大核心

提出了一种偏振可调的太赫兹光电导天线,其结构由四个弧形金属电极、低温砷化镓衬底和氮化硅抗反射涂层构成。通过对光电导天线的工作原理分析,可以发现弧形金属电极结构决定天线的辐射偏振,且衬底的载流子迁移率、载流子寿命和衬底材料对激光的吸收直接影响天线的辐射特性。利用COMSOL软件对该光电导天线进行建模仿真,其结果表明该光电导天线可以在45°方向倍增地辐射线偏振太赫兹波,且辐射强度相较于常规光电导天线提高了30%,辐射带宽高达10 THz。所设计太赫兹光电导天线具有偏振可调、结构简单和易于加工等特点,在太赫兹光谱检测领域具有广阔的应用前景。     

光电导天线太赫兹波辐射特性研究进展

太赫兹科学技术已经成为当前电磁领域研究的热点,太赫兹波的产生是其关键技术,光电导天线(PCA)是目前产生宽频太赫兹波的重要手段。根据光电导天线太赫兹波的辐射特性的文献报道,对光电导天线产生太赫兹波的耦合输出效率、辐射场型、极化特性等研究进展做了较全面的评述,并针对光电导天线辐射特性对光电导天线应用的意义进行了探讨和展望,以期对光电导天线产生太赫兹波的研究和应用提供参考。     

THz小孔径光电导天线结构及参数对增益的影响

宽频太赫兹技术在国防、通信等领域有着广阔的应用前景,光电导天线是产生宽频太赫兹波的重要手段.基于HFSS电磁仿真软件,对蝴蝶型和双极型两种电极结构的小孔径光电导天线进行了电磁场仿真.通过对比不同参数情况下这两种光电导天线的增益,找到了一种具有较高发射效率的小孔径光电导天线,并分析了电极形状和电极间隙对光电导天线发射效率...     

基于石墨烯的太赫兹光电功能器件研究进展

作为一种新型光电材料,石墨烯独特的能带结构和电子输运特性,使其与太赫兹科学有着密切的内在关系：石墨烯内部的等离子体振荡频率在太赫兹频段;人为调谐石墨烯的禁带宽度在0~0.3 eV时,正好覆盖太赫兹频段;光电导率的外部可控性等,这些特点使得石墨烯有望成为太赫兹频段新一代高性能设备研制的基础。最近的研究显示,石墨烯在太赫兹波产生、调控、检测等光电功能器件的研制中取得了很好的成果。重点介绍了基于石墨烯的太赫兹光电功能器件,包括太赫兹源器件、可控调控器件及检测器研究的最新进展,并对这一快速发展的研究领域进行了展望。     

可产生任意偏振方向太赫兹波的光电导太赫兹辐射源

基于太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统，使用两个相互垂直的光电导天线构建了1×2 GaAs光电导太赫兹源阵列。通过调控各个阵元的偏置电压，对其辐射太赫兹波的偏振方向进行研究。结果表明：在已实现光电导发射天线阵列的高效合成以及可同时检测脉冲太赫兹波的振幅、相位及偏振态的探测天线的基础上，通过调控各个阵元的偏置电压分别改变了平行和垂直两个阵元辐射太赫兹波的强度；经过1×2 GaAs光电导太赫兹源阵列在远场的同步合成，可产生不同偏振方向的脉冲太赫兹波，实现了以全电控的方式产生任意偏振方向太赫兹波的光电导太赫兹辐射源。     

光电导太赫兹天线效率参数的讨论

光电导天线是产生太赫兹波最常用的器件之一,但是目前它面临的主要问题是天线效率很低,难以获得高功率的太赫兹波.为了提高其输出功率和效率,介绍了计算光电导天线效率的公式,讨论了影响光电导天线光-太赫兹转换效率的参数:与激光源相关的参数如激光强度、脉冲宽度、激励光斑尺寸及位置;与光电导天线相关的参数如偏压电场、天线材料和几何结构、天线暗电阻率、基底材料等.这对光电导太赫兹天线的分析与设计也是大有裨益的.     

爆炸物太赫兹光谱探测技术研究进展

近年来,随着太赫兹(THz)技术的快速发展,它在安检、航空航天、生命科学、化学等领域展现了巨大的应用前景.在安检领域.由于许多炸药及其相关材料在太赫兹波段具有特征吸收谱.许多非金属、非极性材料对太赫兹波是透明的.因此爆炸物太赫兹光谱探测技术具有巨大的潜力,受到了国内外的高度重视.介绍了国内外利用太赫兹波进行爆炸物光谱探...     

Impact of the Metal Adhesion Layer on the Radiation Power of Plasmonic Photoconductive Terahertz Sources

The use of plasmonic contact electrodes in a photoconductive terahertz source offers high optical-to-terahertz conversion efficiencies. The high efficiency is because plasmonic contact electrodes concentrate a large portion of the incident optical pump beam in close proximity to the contact electrodes. By reducing the average transport path length of the photo-generated carriers from the contact electrodes, a larger number of the photocarriers drift to the terahertz radiating elements of the photoconductive source within a sub-picosecond time scale. Therefore, higher terahertz radiation power levels are achieved compared to a similar photoconductive source without plasmonic contact electrodes. Au is a preferred metal for plasmonic contact electrodes because of the strong plasmonic enhancement factors it offers at near-infrared optical wavelengths. However, it requires an adhesion layer to stick well to most III–V semiconductor substrates used in photoconductive terahertz sources. In this paper, we analyze the impact of the Au adhesion layer on the performance of plasmonic photoconductive sources fabricated on a GaAs substrate. Our analysis suggests that Cr is the most promising adhesion layer for plasmonic contact electrodes. We show that the use of a Cr adhesion layer instead of Ti, which is used in previously demonstrated plasmonic photoconductive sources, offers up to an 80% enhancement in the generated terahertz powers. We report record-high terahertz power emissions of up to 6.7 mW from plasmonic photoconductive sources with Cr/Au contacts.     

基于频率梳的太赫兹辐射强度测量

为实现太赫兹辐射特性精准认知,开展太赫兹辐射绝对强度测量研究。通过光学频率梳产生太赫兹频率梳,利用太赫兹频率梳实现太赫兹辐射源空间强度测量。本文利用电光采样和光电导探测两种方式,实现了100 GHz辐射源空间辐射强度测量;将100 GHz辐射总功率溯源到标准太赫兹功率计,实现太赫兹辐射强度绝对测量。分析比较了利用800 nm空间光进行电光采样和利用1550 nm光纤激光进行光电导探测的测量结果。本文在不同距离下,对太赫兹辐射源的空间辐射绝对强度进行了测量,实验揭示了太赫兹辐射传输的空间演化特性。     

基于整形飞秒激光脉冲泵浦光电导天线的宽带太赫兹辐射研究

飞秒激光脉冲泵浦光电导天线可以产生宽带太赫兹脉冲辐射。采用具有缓慢上升-快速下降整形脉冲包络的飞秒激光脉冲与光电导天线作用产生宽带太赫兹辐射,基于Drude-Lorentz模型计算了太赫兹辐射的规律,并讨论了激光脉冲脉宽和半导体载流子寿命对太赫兹辐射产生的影响。研究结果表明,尽管这种整形飞秒激光脉冲的能量有所损失,但是这种泵浦方式能够比普通飞秒激光脉冲泵浦光电导天线产生更宽的太赫兹辐射。该结果为实验上基于光电导天线产生宽带太赫兹脉冲辐射提供了新的思路     

太赫兹波参量振荡器研究进展

基于参量振荡技术的太赫兹波源是得到可调谐太赫兹波的重要器件,它在安全检查、生物传感、医学诊断、半导体器件检测和质量控制等领域具有重要的应用。从非线性晶体材料特性、谐振腔结构、太赫兹波耦合输出方式、频率调谐方式和线宽控制方法等方面总结了国内外太赫兹参量振荡技术的实验与理论研究情况。对级联太赫兹波参量振荡过程在连续、脉冲和超短脉冲运转方式的研究现状进行了回顾。基于太赫兹参量振荡技术研究现状提出其未来的一些研究方向。随着光纤激光器等技术的发展和周期性极化晶体等材料性能的进一步提高,太赫兹参量振荡器将朝着更加高效化、小型化、实用化、易于操作携带的方向发展,并在其应用领域发挥越来越重要的作用。     

Terahertz Radiation-Band Engineering Through Spatial Beam-Shaping

We propose a terahertz (THz)-band engineering technique based on generation of specifically designed time-domain radiation. The desired time-domain radiation is formed by combining the time-delayed outputs of an array of photoconductive antennas. We have employed this technique to generate tunable narrowband THz radiation. By using an array of identical photoconductive antennas with identical spacings, we have demonstrated a 12.5-mW output peak-power over 0.05-THz bandwidth and a tuning range of 0.65–1.4 THz. Considering the 2.5-THz bandwidth of each individual photoconductive antenna, 50 times higher power efficiency is achieved as a result of radiation-band shaping.      

太赫兹波辐射源的研究进展

电磁波谱中的太赫兹波段拥有许多比传统光源更独特的性质,在生物、材料、安检和通信等领域有着非常重要的研究价值,而高功率和高效率的太赫兹辐射源则是太赫兹技术转化为实际生产力的一个重要因素和前提条件.文章分别从以气体、固体和液体作为激发介质的角度,总结了激光与不同激发介质相互作用产生太赫兹波的研究进展.对气体介质中常用的四波...     

Analysis and design of a continuous-wave terahertz photoconductive photomixer array source

An array of photoconductive photomixer/antenna elements as a continuous-wave terahertz source is proposed, and its radiation characteristic is studied. Employing photomixer/antenna elements in an array configuration increases available terahertz power, while each of the array elements consumes optical power less than its maximum sustainable power. A few microwatt terahertz power is achievable from a typical array structure. It is shown that the radiated beam can be steered by changing the angle between the two exciting laser beams.     

Ultrafast photoconductive self-switching of subpicosecondelectrical pulses

A novel photoconductive switch is proposed. The geometry of this ultrafast switch allows the rising edge of an ultrashort optical pulse to both turn on and turn off a terahertz electrical transient, making the device independent of the substrate material and charge carrier lifetime. A lumped-element model is used to analyze the operation of the switch. The model employed describes the photoexcitation of both a microstrip photoconductive switch layout and a coplanar photoconductive switch layout. It is found that both of the layouts are capable of achieving subpicosecond switching, with the coplanar layout offering greater ease of fabrication and device tunability