THz-generation-and-dtection太赫兹电磁波的产生和检测PPT课件.ppt

1、1-50太赫兹电磁波的产生和检测太赫兹电磁波的产生和检测研究生系列讲座研究生系列讲座2-50提提 纲纲太赫兹技术和应用太赫兹技术和应用 太赫兹波的产生太赫兹波的产生1 太赫兹波的检测太赫兹波的检测2 太赫兹波光谱3 太赫兹波成像4 53-50提提 纲纲太赫兹技术和应用太赫兹技术和应用 太赫兹波的产生太赫兹波的产生1 太赫兹波的检测太赫兹波的检测2 太赫兹波光谱3 太赫兹波成像4 54-5010310610910121015101810211024100microwavesvisiblekilomegagigaterapetaexazetta yottax-rayg-rayTHz GapElec

2、tronics industryPhotonics industryHzFrequency(Hz)dc太赫兹太赫兹（THz）电磁波通常指的是频率在电磁波通常指的是频率在0.1 THz0.1 THz10 THz10 THz区间的远红外电磁辐射，其波段位于微波和红外光之间。区间的远红外电磁辐射，其波段位于微波和红外光之间。是一个具有丰富的科学研究价值，而尚未充分开发的一个是一个具有丰富的科学研究价值，而尚未充分开发的一个电磁波段。电磁波段。in different units:1 THz 1 ps 300 mm 4.1 meV 47.6 oKTHz波在电磁波谱中的位置波在电磁波谱中的位置5-50T

3、Hz电磁波的特点电磁波的特点透视透视性性：很多介电材料和非极性液体对太赫兹波是透明的。：很多介电材料和非极性液体对太赫兹波是透明的。应用：不透明物体透视成像，在浓烟和沙尘环境中成像。应用：不透明物体透视成像，在浓烟和沙尘环境中成像。(2)低能性低能性：THz光子的能量只有毫电子伏特，低于各种化学键光子的能量只有毫电子伏特，低于各种化学键的键能，的键能，不会对生物组织产生有害的电离。不会对生物组织产生有害的电离。应用：应用：旅客安检，生物组织活体检测。旅客安检，生物组织活体检测。(3)光谱分辨本领光谱分辨本领：大量的分子，尤其是有机分子，其转动和振大量的分子，尤其是有机分子，其转动和振动的跃迁在

4、动的跃迁在THzTHz频段表现出强烈的吸收和色散特性，从而在频段表现出强烈的吸收和色散特性，从而在THzTHz频谱中表现出特有的吸收峰。频谱中表现出特有的吸收峰。应应用：毒品、爆炸物检测。用：毒品、爆炸物检测。6-50THz电磁波的应用电磁波的应用鉴定物质鉴定物质1212种化学样品、生物样品和爆炸物的种化学样品、生物样品和爆炸物的THzTHz谱谱7-50THz电磁波的应用电磁波的应用无损检测无损检测内部设置内部设置30个缺陷的航空个缺陷的航空绝热泡沫照片绝热泡沫照片0.2 THz连续波太赫兹图像连续波太赫兹图像8-50THz电磁波的应用电磁波的应用疾病诊断疾病诊断乳腺组织的切片照片乳腺组织的切

5、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THz像像9-50THz电磁波的应用电磁波的应用安全检测安全检测某人的光学照片和利用某人的光学照片和利用0.094 THz波对人体透视图像波对人体透视图像10-50制约太赫兹波应用的因素制约太赫兹波应用的因素1.1.太赫兹电磁波本身的特性太赫兹电磁波本身的特性2.2.技术手段的限制技术手段的限制 研制研制功率高、信噪比大、稳定性好的太赫兹源功率高、信噪比大、稳定性好的太赫兹源以及以及信噪比信噪比高、灵敏度好的太赫兹探测器高、灵敏度好的太赫兹探测器是推动太赫兹技术发展的关键。是推动太赫兹技术发展的关键。11-50THz 源的种类源的种类 非相干的

6、热辐射源非相干的热辐射源(热源热源)电子学的高频微波辐射源电子学的高频微波辐射源 THz激光器激光器 基于非线性的光学发射源基于非线性的光学发射源 光电子辐射源光电子辐射源12-50相干相干THz源的发展历史源的发展历史超快光电子学超快光电子学光学光学电子学电子学13-50电子学方法电子学方法返波振荡器返波振荡器(BackWard Wave Oscillator)电磁波的频率由其减速系统的周期和电子速度决定电磁波的频率由其减速系统的周期和电子速度决定1/2fU平均功率：几百平均功率：几百W-100 mW，频率频率 1.5 THz14-50返波振荡器（返波振荡器（Backward Wave Os

7、cillator）15-50电子学电子学耿氏振荡器耿氏振荡器（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耿氏振荡器耿氏振荡器（Gunn Diode）平均功率：平均功率：W-mW，频率频率 2 THz不同频段的输出功率不同频段的输出功率17-50光学光学气体激光器（气体激光器（Gas Laser）SIFIR-50 FPLFar-Infrared Laser Syste

8、m平均功率：平均功率：mW-W，频率频率:0.9-7 THz18-50光学光学量子级联激光器（量子级联激光器（QCL）19-50光电子学光电子学半导体表面场半导体表面场EcFermi levelEvSurfacestatesAirSemiconductor-101-80-60-40-20020406080Angle(degrees)GaAs裸片裸片,无偏置电场无偏置电场正入射正入射时时没有没有THz辐射辐射;布儒斯特角布儒斯特角(q qB)时辐射时辐射最强最强 GaAs辐射辐射THz强度与角度的关强度与角度的关q qBq qB20-50光电子学光电子学光致丹倍效应光致丹倍效应(photo-De

9、mber Effect)光生载流子向材料的内部扩散。电子和空穴的迁移率的不同产生光致丹倍场光致丹倍场。该瞬态场向外辐射THz电磁波。airehehehehehehehehehehehehehehInAsDepthCarrier concentrationHoleElectronlightTHz waveInAs waferTHzTani,Sarukura,Johnston,Krotkus,Liu,etc21-50光电子学光电子学光致丹倍效应光致丹倍效应(photo-Dember Effect)24681012THz Amplitude(a.u.)Delay Time(ps)p-InAs n-G

10、aAsp-type InAs wafer(1016/cm3)是最好的非偏置THz发射器。发射强度比最好的发射强度比最好的GaAs强强1600 times.p-InAs的THz发射强度要比 n-InAs强几倍.22-50EO crystalInput laser pulse I(t,w,Dw)THz pulse ETHz(t,W)t)t(P)t(E22THzP(t)c(2)Dt,Dw 光整流效应光整流效应(Optical Rectification)t)t(It)t(Pt)t(J)t(E22)2(22THzc23-50光电子学光电子学光电导天线光电导天线偶极天线发射THz波原理e-laser)(

11、tJdtpdh+dttJdtE)()()(tJ+-p p=q a-+dipolepa 24-40影响天线发射功率的因素影响天线发射功率的因素光电导体光电导体性能良好的光电导体应该具有性能良好的光电导体应该具有尽可能短的载流子寿命尽可能短的载流子寿命、高的载流高的载流子迁移率子迁移率和和介质耐击穿强度介质耐击穿强度。离子注入离子注入GaAs：一些离子注入半导体材料（一些离子注入半导体材料（GaAs:As，GaAs:H，GaAs:N，GaAs:O）可能成为低温）可能成为低温LT-GaAs的替代产品。的替代产品。LT-GaAs 暗态电阻（暗态电阻（107 cm）载流子迁移率（载流子迁移率（100-3

12、00 m2/Vs）载流子寿命（载流子寿命（0.25 ps）击穿强度（击穿强度（500 kV/cm）然而然而LT-GaAs的制备的制备工艺的重复性工艺的重复性不好，因为不好，因为LT-GaAs的性质对的性质对制备温度和退火温度依赖很强。制备温度和退火温度依赖很强。25-40影响天线发射功率的因素影响天线发射功率的因素天线结构天线结构 天线结构通常有天线结构通常有赫兹偶极天线赫兹偶极天线、共振偶极天线共振偶极天线、锥形天线锥形天线、传输线天线传输线天线以及以及大孔径光电导天线大孔径光电导天线等。等。大多数实验中采用大多数实验中采用偶极天线偶极天线和和传输线天线传输线天线，其结构相对比较简单。，其结

13、构相对比较简单。Emitterlaser pulseEV共振偶极天线共振偶极天线传输线天线传输线天线26-40影响天线发射功率的因素影响天线发射功率的因素电极间隙电极间隙天线电极间隙对辐射天线电极间隙对辐射THz强度的影响强度的影响光能相同，光斑覆盖电极照射光能相同，光斑覆盖电极照射 屏蔽效应屏蔽效应27-40影响天线发射功率的因素影响天线发射功率的因素天线耐压设计天线耐压设计通常天线的耐压能力与通常天线的耐压能力与半导体芯片材料半导体芯片材料、天线电极的结构与形状天线电极的结构与形状以及所采取的以及所采取的绝缘保护措施绝缘保护措施有关。有关。双层全固态绝缘封装工艺双层全固态绝缘封装工艺仅采用

14、仅采用Si3N4绝缘保护的光电导天线的耐压可以提高三倍，再加有绝缘保护的光电导天线的耐压可以提高三倍，再加有机硅凝胶后，击穿电场可以提高近十倍，即达到机硅凝胶后，击穿电场可以提高近十倍，即达到100 kV/cm。28-40影响天线发射功率的因素影响天线发射功率的因素天线工作温度天线工作温度Planken采用水冷装置，可以给采用水冷装置，可以给未加绝缘保护未加绝缘保护的的0.4 mm的光的光电导天线施加电导天线施加50 kHz，400V的方波交流电压，得到的方波交流电压，得到THz电磁波的功率高达电磁波的功率高达100 W。不同电极宽度的天线不同电极宽度的天线有无热沉的天线有无热沉的天线gapw

15、idth29-40影响天线发射功率的因素影响天线发射功率的因素刻蚀刻蚀刻蚀也是提高击穿场强的一种方法。刻蚀也是提高击穿场强的一种方法。电极未作刻蚀处理时电极未作刻蚀处理时，电极与天线材料接触的位置电流通道最薄，容易产热，天线电极与天线材料接触的位置电流通道最薄，容易产热，天线容易在此处烧坏；容易在此处烧坏；采用刻蚀工艺后采用刻蚀工艺后，增加了电极和天线材料的接触面积，增加了电，增加了电极和天线材料的接触面积，增加了电流通道，减小了接触电阻；电极被埋在芯片中不宜导致空气放电流通道，减小了接触电阻；电极被埋在芯片中不宜导致空气放电击穿。击穿。30-40影响天线发射功率的因素影响天线发射功率的因素电

16、极材料电极材料AuGeNi合金电极合金电极（1）电极制备工艺的重复性好；）电极制备工艺的重复性好；（2）退火后与）退火后与GaAs材料形成材料形成欧姆接触，欧姆接触，表现出很高的电导表现出很高的电导率；率；（3）传统的制备工艺和多种退）传统的制备工艺和多种退火方式都可以采用。火方式都可以采用。Ti/Au电极电极（1）一种不需退火的工艺。）一种不需退火的工艺。（2）与）与GaAs形成形成肖特基接触肖特基接触。-30-20-100102030-0.6-0.4-0.20.00.2Current(mA)voltage(V)AuGeNi (X100)Ti/Au具有具有AuGeNi电极的天线和电极的天线和

17、Ti/Au电极的天线的伏安特性曲线电极的天线的伏安特性曲线31-40影响天线发射功率的因素影响天线发射功率的因素电极材料电极材料Ti/Au电极天线和电极天线和AuGeNi电极天电极天线的比较线的比较Ti/Au电极天线的稳定性电极天线的稳定性32-50提提 纲纲太赫兹技术和应用太赫兹技术和应用 太赫兹波的产生太赫兹波的产生1 太赫兹波的检测太赫兹波的检测2 太赫兹波光谱3 太赫兹波成像4 533-40量热辐射计量热辐射计（Bolometer）T0T 非相干测量非相干测量 0.1 THz 100 THz NEP:4.510-15 W/Hz1/2 R=8.14106 V/W 吸收体吸收体热源热源热敏

18、电阻热敏电阻PTHzPbias34-40高莱探测器高莱探测器（Golay Cell）非相干测量非相干测量 0.1 THz 100 THz NEP:10-10 W/Hz1/2 R=1.5105 V/W 35-40热释电探测器热释电探测器（Pyroelectric detector）非相干测量非相干测量 0.1 THz 100 THz NEP:10-9 W/Hz1/236-40肖特基二极管肖特基二极管（Schottky Diode）相干测量相干测量 1.8 THz NEP:10-10 W/Hz1/237-50太赫兹时域光谱系统太赫兹时域光谱系统 THz time domain spectrosco

19、py(THz-TDS)38-50太赫兹时域光谱系统太赫兹时域光谱系统 THz time domain spectroscopy(THz-TDS)39-40时域波形和频谱时域波形和频谱-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.)时域波形时域波形频谱频谱信噪比信噪比：SNR=最大值最大值噪声的

20、均方根噪声的均方根动态范围（动态范围（Dynamic Range）：DR=峰峰值峰峰值噪声的均方根噪声的均方根40-50辉光放电探测器辉光放电探测器（Glow Discharge Detector）氖灯可以用作氖灯可以用作GDD，其中包含了，其中包含了 99.5%的氖气和的氖气和0.5%的氩气。的氩气。优点优点:廉价廉价($1);很高的电学耐受性很高的电学耐受性（Electronic ruggedness）;宽带宽带(THz,IR,UV,X-ray,-ray);室温操作室温操作;响应速度快响应速度快(ms的上升时间的上升时间).什么是辉光放电探测器什么是辉光放电探测器（GDD）？）？41-50

21、工作原理工作原理增强的级联电离增强的级联电离:入射电磁波增加了电子和中性原子的碰撞电离，从而导致放电电流的入射电磁波增加了电子和中性原子的碰撞电离，从而导致放电电流的增加。增加。电磁波电磁波信号信号 GDD微波微波,THz波波,红外红外,紫外紫外,X-射线射线&-射线射线05101520time(ms)current(A)EM signalmodulation signal-1.0-0.50.00.51.0 42-50实验装置实验装置电磁波源电磁波源:1)耿氏振荡器耿氏振荡器(40 mW at 0.2 THz)2)返波振荡器返波振荡器(6.3 mW at 0.1 THz and 29 mW a

22、t 0.37 THz)3)飞秒激光器飞秒激光器(350 mW at 800 nm)4)紫外射线枪紫外射线枪(90 mW at 200 400 nm)实验电路示意图实验电路示意图43-50实验结果实验结果:金属反射器的增益金属反射器的增益用具有金属属反射器和没没有金属属反射的GDD获获得的THz波的信号号(40 mW at 0.2 THz)金属反射器能够把信号放大金属反射器能够把信号放大 4 倍倍!金属反射器金属反射器05101520-10-50510voltage(mV)time(ms)with metallic reflector without metallic reflector 44-

23、50实验结果实验结果:THz信号信号根据源的能量归归一化处处理 的的THz测测量信号号(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实验结果实验结果:响应率响应率0.1 THz0.2 THz 0.37 THz无放大器无放大器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响应率随着入射频率的增加减小响应率随着入

24、射频率的增加减小:玻璃壁的吸收玻璃壁的吸收:The collision frequency()is less than 100 GHz.46-50实验结果实验结果:红外信号红外信号红红外光的测测量信号号(350 mW at 800 nm)(a)阳极阳极,(b)在法拉第区区和阴极辉阴极辉光区区之间间 (c)阴极阴极 GDD阳极阳极阴极阴极法拉第区法拉第区-50505101520-40040-50 (c)(b)(a)(mV)(mV)(V)voltagetime(ms)47-50实验结果实验结果:紫外信号紫外信号紫外光的测测量信号号(90 mW at 200 400 nm)05101520 Modu

25、lation Signaltime(ms)voltage(mV)-505 UV Signal 48-50THz干涉仪干涉仪THz干涉仪干涉仪Gunn OscillatorGDDBS用用GDD测得的测得的THz相干信号相干信号051015202530050100150voltage(mV)time(ps)49-50THz 干涉仪干涉仪用用GDD测得的测得的THz信号的频谱信号的频谱0.10.20.30.00.20.40.60.81.0 amplitude(a.u.)frequency(THz)BroadbandDetector用用GDD、肖特基二极管肖特基二极管和和热释电热释电探测器探测器测得的

26、测得的THz信号的频谱信号的频谱0.00.20.40.60.81.010-510-410-310-210-1100 frequency(THz)Broadband Schottky Pyroelectric50-50THz成像成像:具有一些金属图案的印刷线路板具有一些金属图案的印刷线路板印刷线路板印刷线路板用用GDD获得的获得的THz图像图像用肖特基二极管得到用肖特基二极管得到的的THz图像图像51-50THz成像成像:装水的茶壶装水的茶壶茶壶茶壶用用GDD获得的获得的THz图像图像用肖特基二极管得到用肖特基二极管得到的的THz图像图像52-50THz成像成像:装水的喷壶装水的喷壶喷壶喷壶用用

27、GDD获得的获得的THz图像图像用肖特基二极管得到用肖特基二极管得到的的THz图像图像53-50THz成像成像:木盒木盒木盒木盒用用GDD获得的获得的THz图像图像用肖特基二极管得到用肖特基二极管得到的的THz图像图像54-50THz 成像成像:急救箱急救箱用用GDD获得的获得的THz图像图像用肖特基二极管得到用肖特基二极管得到的的THz图像图像55-50现有实验条件现有实验条件建起建起70 70 平米的超净实验室平米的超净实验室超净实验室更衣室超净实验室更衣室超净实验室内部全景超净实验室内部全景56-50现有实验条件现有实验条件锁相放大器和电动平移台及控制器锁相放大器和电动平移台及控制器光学平台光学平台飞秒激光器飞秒激光器电动平移台电动平移台57-50现有实验条件现有实验条件自由空间的太赫兹波电光取样系统自由空间的太赫兹波电光取样系统SourceDetectorSample透射式成像系统v右侧THz源，v左侧是探测系统，v透镜焦距均是50mm，v样品放在二倍焦距之外。反射式成像系统v透镜焦距50mmv源距透镜大于二倍焦距v样品距透镜大80mmSourceDetectorSample反射式成像实验图 透射式成像：样品图图片THz透射式成像效果 (a)陶罐照片（b）THz图像反射式成像结果：62-50Thanks for your attention!