太赫兹材料与器件课件.ppt

1、ZnTe太赫兹波源的原理和应用太赫兹波源的原理和应用一、太赫兹波和常用太赫兹源的简介。一、太赫兹波和常用太赫兹源的简介。二、光整流（二、光整流（ZnTeZnTe太赫兹源）太赫兹源的产生原理。太赫兹源）太赫兹源的产生原理。三、（三、（ZnTeZnTe）太赫兹源的与光导天线源的比较。）太赫兹源的与光导天线源的比较。四、四、ZnTeZnTe太赫兹源的运用。太赫兹源的运用。1 1、太赫兹波简介、太赫兹波简介 THz THz辐射辐射(射线射线)通常指的是频率在通常指的是频率在0.1THz10THz(波长在波长在3m 30)之间的电磁波，其波段在微波和红外光之间，属于远红外波段，此波段是人们之间的电磁波，

2、其波段在微波和红外光之间，属于远红外波段，此波段是人们所剩的最后一个未被开发的波段。所剩的最后一个未被开发的波段。12:00Frequency(Hz)10810910101011101210131014101510161017RadioMicrowaveInfraredUVX-raysT-raysVisiblen=1 THz l=300 mm hn=33 cm-1T=48 K 4.1 meV2 2、THzTHz波的一些特性波的一些特性 物质物质THzTHz光谱包含丰富的物理和化学信息，研究这一波段的光谱对于物质结光谱包含丰富的物理和化学信息，研究这一波段的光谱对于物质结构的探索具有重要意义；另

3、外构的探索具有重要意义；另外T THzHz脉冲光源与传统光源相比具有许多独特的性质：脉冲光源与传统光源相比具有许多独特的性质：（1 1）瞬态性：脉宽在皮秒量级，可以对各种材料进行时间分辨研究；）瞬态性：脉宽在皮秒量级，可以对各种材料进行时间分辨研究；（2 2）宽带性：）宽带性：THzTHz脉冲源一般只包括若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可脉冲源一般只包括若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖以覆盖GHzGHz到几十到几十THzTHz的范围；的范围；（3 3）相干性：由相干电流驱动的偶极子振荡产生，或是由相干的激光脉冲通过）相干性：由相干电流驱动的偶极子振荡产生，或是由相干的激光脉冲通

4、过非线性光学差频效应产生；非线性光学差频效应产生；（4 4）低能性：光子能量只有几个毫电子伏，不会出现）低能性：光子能量只有几个毫电子伏，不会出现X X射线电离和破坏被检测物射线电离和破坏被检测物质的现象；质的现象；（5 5）强穿透性：对于非极性物质有很强的穿透力；）强穿透性：对于非极性物质有很强的穿透力；（6 6）易被极性分子吸收：可以通过分析它们特征谱研究物质成分或进行质量控）易被极性分子吸收：可以通过分析它们特征谱研究物质成分或进行质量控制；制；1.1.回波振荡器回波振荡器2.2.倍增管倍增管3.3.非线性光混频（光整流）非线性光混频（光整流）4.4.脉冲光电导开关脉冲光电导开关5.5.

5、激光器辐射源天线激光器辐射源天线激光器是重要的实验室THz辐射源 半导体激光器（波长可调范围50-200m，1.5-6 THz，脉冲能量J量级）量子级联激光器（QCL）光泵气体激光器（300 GHz-7 THz）6.6.黑体辐射源瞬黑体辐射源瞬态态光电流，根据经典电磁理论，这种瞬变的光电流会辐射THz波。1.1.脉冲光电导开关脉冲光电导开关 采用高速光导体(GaAs,InP)作为瞬态电流源，相隔一定距离的金属电极作为辐射天线，光子能量大于光导体带隙的超快激光（fs量级）产生电子空穴对，由于偏置电场的作用产生的载流子被加速形成瞬态光电流，根据经典电磁理论，这种瞬变的光电流会辐射THz波。容易实现

6、光电流的迅速涨落，从而得到较大的THz辐射功率；辐射 THz能量 随偏置电压和激光脉冲能量按比例放大；可以实现平均THz辐射功率约 40 uW2.2.非线性光混频非线性光混频 非线性光混频可以产生窄带THz辐射。其原理是两个中心频率稍有差别的连续波激光在具有高二阶光学非线性材料内作用，产生和频和差频光，其差频项可能在太赫兹范围，但输出功率仅有几微瓦。光整流光整流是太赫兹脉冲产生的另一种机制，它是电光效应的逆过程是太赫兹脉冲产生的另一种机制，它是电光效应的逆过程。光整流效应是利用亚皮妙计激光脉冲和非线性介质相互作用产生低频的极化电场，而辐射出太赫兹波，他是一种二阶非线性效应。两个光束在线性介质中

7、可以独立传播，而不改变各自的振荡频率。但是在非线性介质中，两个单色光束将发生混合，从而产生和频振荡和差频振荡。在出射光中，除了有与入射光相同频率的光波外，还有新的频率(例如和频)的光波。光整流的原理图光整流的原理图 光整流方法中用作太赫兹辐射脉冲源材料是传统的电光材料，常见的有LiTaO3，LiNbO3，半导体材料ZnSe、ZeTe，InP、GaAs有机晶体DAST等。要作为太赫兹脉冲辐射源需满足一些基本条件。在所用的波段内具有较高的透过率，具有高的损伤阈值。具有大的非线性系数。具有优秀的相位匹配能力。相对于其他的电光晶体材料，ZnTe的二阶非线性系数大。光整流效应的原理推导：光整流效应的原理

8、推导：在在非吸收介质中的光学整流过程实质上是激光脉冲产生的随时间变化的极化率射出的电场，在远场条件下可以写成：（2-12-1）P极化强度，二阶极化率,P(2)(0)与基频无关的直流项。（2-22-2）2假设三种频率的平面波，w1，w2，w3=w1-w2，同时在非线性介质中传播，假设都沿Z轴传播，则电场强度可以描述为：当光脉冲入射到晶体后，在晶体内激发一个随时间变化的极化电场，从而产生极化电流，其强度与极化电场对时间的变化率成正比，即：该极化电流使使晶体产生太赫兹电磁辐射，在远场近似下，太赫兹电场强度为：相位匹配要求：要求参与非线性过程的各个光波的频率和波矢都要守恒，只有非线性过程的各个频率的光

9、波在非线性介质中才能有比较长的作用距离，从而非线性过程才有较高的效率。因此相位匹配条件可以表述如下：800nm，30fs laser pulses，在，在ZnTe晶体位置的能量晶体位置的能量48mJ，在，在100Hz的采样率的采样率能量测量（脉冲激光能量28um/cm2（1mJ）到1.33um/cm2（48mJ）检测到的太赫兹波的时域和频域分析检测到的太赫兹波的时域和频域分析结论：大块结论：大块ZnTe晶体用光整流获得高能太赫兹源，能量达到晶体用光整流获得高能太赫兹源，能量达到1.5uJ，3THz范围的太赫兹范围的太赫兹.用光电导天线辐射的THz电磁波能量通常比用光整流产生的THz波能量强。因

10、为光整流效应产生的THz波的能量仅仅来源于入射的激光脉冲的能量，而光电导天线辐射的THz波的能量主要来自天线上所加的偏置电场，这可以通过调节外加电场的大小来获得能量较强的THz波。光电导天线产生的THz电磁波的频率较低，而光整流产生的THz电磁波的频率较高。光整流技术最早是在利用LiNbO3产生远红外辐射的过程中来实现的。因为光整流是将入射光束功率从光频耦合到太赫兹频段，这种耦合效率较低，所以利用这种方法输出的太赫兹辐射的功率与光电导天线的方法相比较小，但这种方法的优点在于可以输出更宽的辐射带宽，通常可以达到50THz。HWPCBSChopperDelay StageInAsEmitterPM1PM2PM3PM4Si WaferPZnTeSensorQWPPBSLaserM1M2A1M3M4M5M6L3lock inA2A3A4L1M7M8M9M10M11M12M13M14L2太赫兹时域光谱系统太赫兹时域光谱系统 成像采用的实验装置与时域系统光谱测量装置基本相，只是在PM2和PM3之间加一个二维平台，通过平台的移动实现对样品的逐点扫描，可以将样品的太赫兹像提取出来。这样可以解决即使样品不存在吸收峰，也可以通过吸收光谱来识别。太赫兹实时成像太赫兹实时成像 近场成像近场成像太赫兹扫描成像太赫兹扫描成像