太赫兹激光作用下新型电子材料的光电及磁光电物理特性研究
发布时间：2021-03-10 13:20
太赫兹波（THz）作为在电磁波谱中被人们发现的新的电磁波,具有广阔的应用范围,其在电磁波谱中特殊的位置决定了它既具有光子学特性,又具有电子学特性,是连接长波长光学和电子学的桥梁。太赫兹光子能量较弱,非常适合用于无损检测,在医学、国防、航天、公共安全等方面具有重要的应用前景。在物理学中,应用太赫兹非接触式的探测特性,在科研中太赫兹时域光谱技术、泵浦探测技术等得到了较深入的应用和发展,帮助研究人员获得光电子材料的重要内在物理参数。例如通过太赫兹时域光谱技术可以直接得到材料光电导的实部和虚部,无需通过Kramers-Kronig变换。此外,红外光谱技术也是材料分析的一种重要手段。因此,本论文主要研究了半导体材料（如二硫化钼、锑化镓、石墨烯等）的太赫兹和红外光学特性,主要包括以下几部分内容:（1）首先介绍了目前常用的自由空间类和光纤类太赫兹时域光谱系统,描述了它们的组成部分、产生单元和探测单元,并分析了各自的优缺点。目前,太赫兹时域光谱系统已经取得了较为广泛的应用,我们在该光学平台的基础上进行了附加磁场和低温装置的集成,使该强场低温太赫兹时域光谱仪具有了更多的光学测量功能。此外,介绍了基于La...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２光电导天线结构示意图
?第一章绪论???八丁Ｈｚ；??」＼广?????ｆｓ?ｌａｓｅｒ??图１．２光电导天线结构示意图。??其频率不会发生相加或相减。但是在一些非线性介质中，两束光在晶体中会产??生和频或差频效应，从而产生新的频率的电磁波。超短激光脉冲具有很大的光??谱带宽，如果其脉冲宽度在亚皮秒量级，其不同频率分量电磁波差频产生电极??化场从而产生频率位于太赫兹区域的电磁波，由晶体表面发射出去。其原理是??飞秒激光照射晶体后，在晶体内部产生一个极化电场，该电场随时间变化，产??生极化电流。极化电流强度正比于极化电场对时间的变化率，即??ｄＰ??Ｊ⑴ａ瓦?（Ｉ．”??在极化电流的存在下，晶体辐射出太赫兹波，太赫兹电场强度可以表示为??ｒ?ｄＪ?ｄ２Ｐ?＂，??ＥｔＨｚＨ?（１．２）??相位匹配需要参与非线性光学过程的所有光的波矢与频率要守恒。因为在??非线性晶体中，只有当各个频率的光有比较长的作用距离，才有较高的非线性??效率。超短脉冲的能量决定了产生的太赫兹波的能量，晶体材料的非线性系数??和相位匹配条件决定太赫兹的转化效率。??太赫兹的产生和非线性光学晶体的二阶磁化率有关，一般常用的非线??性光学晶体有碲化锌（ＺｎＴｅ），铌酸锂（ＬｉＮｂ０３），磷化铟（ＩｎＰ），钽酸锂??（ＬｉＴａ０３），碲化镉（ＣｄＴｅ），砷化镓（ＧａＡｓ），有机晶体ＤＡＳＴ等。由于光整??流效应需要将入射电磁波耦合到太赫兹波段，相比于光电导天线，较低的耦合??效率导致辐射出的太赫兹强度较弱，但其优点是辐射出的太赫兹频带很宽，甚??至可以达到几十太赫兹，光整流效应原理如图１．３所示。??ｆｅｍｔｏ咖Ｉ晰?ｐ如?ｎ＿ｎｅａｒｃｆｙｓｔ
?第一章绪论???辐射的电磁波波长范围可以从微波到Ｘ射线，包括太赫兹辐射。Ｈａｎｓ?Ｍｏｔｚ与??其合作者发展了自由电子激光设备等技术，他们于１９５３年在斯坦福建立了一个??波荡器［４，５］，是自由电子激光器设备中一种特定的摇摆器磁结构。如图１．４，电??子束流高速通过周期性排列的磁场，交互变化的磁极能够改变束流的运动轨迹。??我们把束流运动方向定为纵向，磁场穿过束流的方向为横向，由于电子受到磁??场中洛伦兹力的影响，其速度会在横向产生分量，其运动轨迹为一系列正弦波。??电子束横向受力运动辐射出单色光，但仍然不具有相干性，因为自由电子随机??分布，电磁波在时间上干涉相长相消。形成的辐射功率与电子数线性相关。波??荡器两端的反射镜构成光学腔，使辐射形成驻波。同步辐射过程逐渐变强，辐??射波束的横向电场与正弦运动的横向电流相互作用，因此通过有质动力，一部??分电子从光场增加能量，一部分电子损失能量给光常通过改变一个光波长周??期的电子数密度（电流）从而改变辐射光束的能量。电子在纵向聚集成微束，??沿轴线按一个光学波长长度分离。单独的波荡器导致电子单独的辐射，不具有??相干性，成束电子形成的辐射是同相的，提高了相干性。辐射能量增加，造成??电子额外的微辐射，电子继续相互同相辐射［６］。这一过程持续到电子辐射功率??达到饱和。因此，调节入射电子束流的辐射能量和波荡器的磁场强度，能够改??变辐射光的波长。其发出的辐射光波长１７］??Ａｒ?＝?＾（１?＋?Ｉ）?（１．３）??Ｋ是波荡器强度参数，??Ａｒｏｃ?券?（１．４）??＞？表示波荡器波长，即磁场空间周期。７称为洛伦兹因子，由波荡器几何??配置所决定。??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Fe,Co,Ni掺杂GaSb的电子结构和光学性质[J]. 潘凤春,林雪玲,曹志杰,李小伏. 物理学报. 2019(18)
[2]320×256元InAs/GaSb II类超晶格中波红外双色焦平面探测器[J]. 白治中,徐志成,周易,姚华城,陈洪雷,陈建新,丁瑞军,何力. 红外与毫米波学报. 2015(06)
[3]Mapping an on-chip terahertz antenna by a scanning near-field probe and a fixed field-effect transistor[J]. 吕利,孙建东,Roger A.Lewis,孙云飞,吴东岷,蔡勇,秦华. Chinese Physics B. 2015(02)
[4]Study of broadband THz time-domain spectroscopy at different relative humidity levels[J]. 林家任,何宜贞,张希成. Chinese Optics Letters. 2012(04)
[5]GaSb基半导体激光器功率效率研究[J]. 王跃,刘国军,李俊承,安宁,李占国,王玉霞,魏志鹏. 中国激光. 2012(01)
[6]液相外延技术的研究进展[J]. 孙媛媛,王芬,周彦昭. 陶瓷. 2004(05)
[7]n型GaSb、InGaAsSb的MBE生长和特性研究[J]. 郑燕兰,李爱珍,王建新,茹国平,李存才,胡建. 功能材料与器件学报. 1996(04)
本文编号：3074727
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：99 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２光电导天线结构示意图
?第一章绪论???八丁Ｈｚ；??」＼广?????ｆｓ?ｌａｓｅｒ??图１．２光电导天线结构示意图。??其频率不会发生相加或相减。但是在一些非线性介质中，两束光在晶体中会产??生和频或差频效应，从而产生新的频率的电磁波。超短激光脉冲具有很大的光??谱带宽，如果其脉冲宽度在亚皮秒量级，其不同频率分量电磁波差频产生电极??化场从而产生频率位于太赫兹区域的电磁波，由晶体表面发射出去。其原理是??飞秒激光照射晶体后，在晶体内部产生一个极化电场，该电场随时间变化，产??生极化电流。极化电流强度正比于极化电场对时间的变化率，即??ｄＰ??Ｊ⑴ａ瓦?（Ｉ．”??在极化电流的存在下，晶体辐射出太赫兹波，太赫兹电场强度可以表示为??ｒ?ｄＪ?ｄ２Ｐ?＂，??ＥｔＨｚＨ?（１．２）??相位匹配需要参与非线性光学过程的所有光的波矢与频率要守恒。因为在??非线性晶体中，只有当各个频率的光有比较长的作用距离，才有较高的非线性??效率。超短脉冲的能量决定了产生的太赫兹波的能量，晶体材料的非线性系数??和相位匹配条件决定太赫兹的转化效率。??太赫兹的产生和非线性光学晶体的二阶磁化率有关，一般常用的非线??性光学晶体有碲化锌（ＺｎＴｅ），铌酸锂（ＬｉＮｂ０３），磷化铟（ＩｎＰ），钽酸锂??（ＬｉＴａ０３），碲化镉（ＣｄＴｅ），砷化镓（ＧａＡｓ），有机晶体ＤＡＳＴ等。由于光整??流效应需要将入射电磁波耦合到太赫兹波段，相比于光电导天线，较低的耦合??效率导致辐射出的太赫兹强度较弱，但其优点是辐射出的太赫兹频带很宽，甚??至可以达到几十太赫兹，光整流效应原理如图１．３所示。??ｆｅｍｔｏ咖Ｉ晰?ｐ如?ｎ＿ｎｅａｒｃｆｙｓｔ
?第一章绪论???辐射的电磁波波长范围可以从微波到Ｘ射线，包括太赫兹辐射。Ｈａｎｓ?Ｍｏｔｚ与??其合作者发展了自由电子激光设备等技术，他们于１９５３年在斯坦福建立了一个??波荡器［４，５］，是自由电子激光器设备中一种特定的摇摆器磁结构。如图１．４，电??子束流高速通过周期性排列的磁场，交互变化的磁极能够改变束流的运动轨迹。??我们把束流运动方向定为纵向，磁场穿过束流的方向为横向，由于电子受到磁??场中洛伦兹力的影响，其速度会在横向产生分量，其运动轨迹为一系列正弦波。??电子束横向受力运动辐射出单色光，但仍然不具有相干性，因为自由电子随机??分布，电磁波在时间上干涉相长相消。形成的辐射功率与电子数线性相关。波??荡器两端的反射镜构成光学腔，使辐射形成驻波。同步辐射过程逐渐变强，辐??射波束的横向电场与正弦运动的横向电流相互作用，因此通过有质动力，一部??分电子从光场增加能量，一部分电子损失能量给光常通过改变一个光波长周??期的电子数密度（电流）从而改变辐射光束的能量。电子在纵向聚集成微束，??沿轴线按一个光学波长长度分离。单独的波荡器导致电子单独的辐射，不具有??相干性，成束电子形成的辐射是同相的，提高了相干性。辐射能量增加，造成??电子额外的微辐射，电子继续相互同相辐射［６］。这一过程持续到电子辐射功率??达到饱和。因此，调节入射电子束流的辐射能量和波荡器的磁场强度，能够改??变辐射光的波长。其发出的辐射光波长１７］??Ａｒ?＝?＾（１?＋?Ｉ）?（１．３）??Ｋ是波荡器强度参数，??Ａｒｏｃ?券?（１．４）??＞？表示波荡器波长，即磁场空间周期。７称为洛伦兹因子，由波荡器几何??配置所决定。??
【参考文献】：
期刊论文
[1]Fe,Co,Ni掺杂GaSb的电子结构和光学性质[J]. 潘凤春,林雪玲,曹志杰,李小伏. 物理学报. 2019(18)
[2]320×256元InAs/GaSb II类超晶格中波红外双色焦平面探测器[J]. 白治中,徐志成,周易,姚华城,陈洪雷,陈建新,丁瑞军,何力. 红外与毫米波学报. 2015(06)
[3]Mapping an on-chip terahertz antenna by a scanning near-field probe and a fixed field-effect transistor[J]. 吕利,孙建东,Roger A.Lewis,孙云飞,吴东岷,蔡勇,秦华. Chinese Physics B. 2015(02)
[4]Study of broadband THz time-domain spectroscopy at different relative humidity levels[J]. 林家任,何宜贞,张希成. Chinese Optics Letters. 2012(04)
[5]GaSb基半导体激光器功率效率研究[J]. 王跃,刘国军,李俊承,安宁,李占国,王玉霞,魏志鹏. 中国激光. 2012(01)
[6]液相外延技术的研究进展[J]. 孙媛媛,王芬,周彦昭. 陶瓷. 2004(05)
[7]n型GaSb、InGaAsSb的MBE生长和特性研究[J]. 郑燕兰,李爱珍,王建新,茹国平,李存才,胡建. 功能材料与器件学报. 1996(04)
本文编号：3074727
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