Реферат 1
ВВЕДЕНИЕ 1
1. Оптические методы генерации, детектирования и измерения терагерцового излучения (литературный обзор) 5
1.1 Свойства и применения терагерцового излучения 5
1.2 Генерация и детектирование терагерцового излучения в схемах импульсной терагерцовой спектроскопии (THz-TDS) 9
1.2.1 Фотопроводящие дипольные антенны 9
1.2.2 Генерация терагерцового излучения от поверхности полупроводника 11
1.2.3 Электрооптическое детектирование терагерцового излучения 12
1.2.4 Принципы терагерцовой спектроскопии во временной области 13
1.3 Генерация и детектирование терагерцового излучения с применением фотомиксеров 17
1.4 Постановка задачи 19
2. Использованные экспериментальные методы 21
2.1 Измерение параметров лазерных диодов 21
2.2 Методика измерения спектров генерации дипольных антенн на основе
SI-GaAs:Cr и LT-GaAs 21
2.3 Схема излучателя терагерцового диапазона на основе фотомиксера 23
3. Результаты эксперимента 25
3.1 Выбор топологии и конструкцци фотопроводящих дипольных антенн для
генерации терагерцового излучения 25
3.2 Спектры генерации дипольных антенн на основе GaAs:Cr и LT-GaAs 31
3.3 Детектирование терагерцового излучения фотопроводящими дипольными антеннами на основе GaAs:Cr и LT-GaAs 37
3.4 Генерация непрерывного терагерцового излучения фотомиксером на основе изготовленных фотопроводящих дипольных антенн 39
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 42
Литература 43
Полупроводниковые фотопроводящие антенны широко применяются для генерации терагерцового излучения в лабораторных установках с использованием возбуждения фемтосекундными лазерными импульсами или двумя непрерывными лазерами. Впервые фотопроводящие дипольные антенны (ФДА) были предложены в качестве источников терагерцового излучения [1, 2] и применены в импульсной терагерцовой спектроскопии более 25 лет назад. К настоящему времени в научной литературе содержится большой объем результатов по исследованию влияния свойств активной среды и конфигурации ФДА на их рабочие характеристики (например, [2-3]). Результаты проведенных исследований и имеющийся уровень технологии получения полупроводниковых материалов позволили ряду зарубежных фирм, например, Z-omega (США), Thorlabs (США), Batop (Германия), разработать и сделать коммерческим продуктом совершенные ФДА с рядом необходимых характеристик. Следует отметить, что в России подобные коммерчески доступные приборы в настоящее время не производятся.
Явления, происходящие в дипольной антенне, являются быстропротекающими и оказывают комплексное влияние на эффективность процессов генерации и детектирования терагерцового излучения. Например, с ростом плотности мощности возбуждающего лазерного импульса возрастает число носителей заряда, однако, возрастанию амплитуды генерируемого излучения препятствует эффект экранирования ускоряющего напряжения генерируемыми носителями. Характеристики дипольных антенн зависят от параметров активной среды (полупроводника), геометрии контактов, параметров возбуждающего лазерного импульса, приложенного напряжения, фокусирующей оптики.
Среди параметров полупроводника важнейшими являются удельное сопротивление, время жизни и подвижность неравновесных носителей заряда. Материал должен обладать максимально высоким темновым сопротивлением для обеспечения возможности подачи больших напряжений смещения. Время жизни неравновесных носителей заряда должно быть низким для обеспечения резкого спада фототока после возбуждения. Высокая подвижность носителей заряда способствует большим величинам фототока. Кроме того, в некоторых случаях, высокая подвижность носителей способствует быстрому уходу носителей заряда через контакты и определяет скорость изменения фототока. Также ширина запрещенной зоны полупроводника должна обеспечивать возможность фотовозбуждения на длине волны излучения используемого лазера. Геометрия металлических контактов, нанесенных на поверхность полупроводника, должна обеспечивать наибольшую напряженность поля смещения при отсутствии пробоя материала.
Важным свойством дипольных антенн является то, что эти устройства могут применяться для выделения сигнала биений между двумя непрерывными лазерными источниками, частоты излучения которых близки и отличаются на величину до нескольких терагерц. В этом случае дипольную антенну называют фотомиксером. Генераторы непрерывного терагерцового излучения на основе фотомиксеров являются компактными и могут быть реализованы на основе фотовозбуждения дешевыми лазерными диодами. Имеется ряд применений таких устройств: терагерцовые спектрометры, системы построения изображения, системы передачи данных. Таким образом, актуальной является задача, связанная с разработкой фотомиксеров для генерации терагерцового излучения.
Настоящая работа направлена на разработку и изготовление ФДА на основе GaAs:Cr и LT-GaAs, исследование влияния геометрических параметров антенн на рабочие характеристики ФДА, а также исследование возможности реализации фотомиксеров на основе изготавливаемых ФДА с фотовозбуждением коммерчески доступными лазерными диодами. В работе проводятся измерения рабочих характеристик ФДА на основе GaAs:Cr и LT-GaAs при фотовозбуждении импульсами фемтосекундного лазера с использованием установки импульсной терагерцовой спектроскопии и при их работе в режиме фотомиксера с фотовозбуждением излучением двух лазерных диодов.
Целью настоящей работы была разработка схемы терагерцового излучателя на основе фотомиксера, сборка этой схемы и проверка ее работоспособности, а так же исследование ФДА различных размеров и конфигураций, на основе двух материалов для выявления влияния их параметровов на спектры генерации. Для достижения данной цели в настоящей работе решены следующие задачи. Проведен обзор литературы по свойствам и способам генерации и детектирования терагерцового излучения, применению фотопроводящих дипольных антенн и фотомиксеров в качестве терагерцовых излучателей и детекторов. Разработана конструкция и изготовлены лабораторные образы фотопроводящих дипольных антенн на основе SI-GaAs:Gr и LT-GaAs для генерации и детектирования терагерцового излучения;экспериментально исследованы их рабочие характеристики в импульсном режиме работы и в режиме работы в качестве фотмиксеров. В результате проведенных исследований получены следующие основные результаты:
- Установлено, что разработанные ФДА как на основе LT-GaAs, так и на основе SI- GaAs:Cr, позволяют получать спектры генерации терагерцового излучения в диапазоне 0,05-2,8 ТГц. Наибольшие эффективности преобразования наблюдаются для полосковых ФДА длиной 65 мкм и менее, а также для ПСФДА;
- Время жизни неравновесных носителей заряда важно для работы ФДА в качестве детекторов терагерцовых импульсов и в этом случае не должно превышать десятков пикосекунд. Созданные ФДА на основе SI-GaAs:Cr не могут применяться в качестве терагерцовых детекторов. Для ПФДА на основе LT-GaAs эффективность детектирования растет с уменьшением длины антенны;
- Продемонстрирована возможность генерации и детектирования излучения фотомиксерами на основе изготовленных ФДА как в области низких терагерцовых частот (0,24 и 0,36 ТГц), так и в области более высоких частот (1,22 ТГц). Собрана экспериментальная установка, являющаяся терагерцовым спектрометром на основе фотомиксеров.
