红外太赫兹器件的光场调控及探测机理研究
发布时间：2021-12-22 06:06
太赫兹技术是一个极具吸引力的研究领域,在半导体、医疗、制造、太空和国防工业等各个领域都有很大的潜力。太赫兹学科研究通常涉及到光电子学、半导体物理学、材料学等多个学科。在太赫兹技术的多种应用中,太赫兹探测器是关键的环节。本论文主要研究了几种基于有潜力的材料体系的太赫兹器件,结合材料的生长、理论计算、器件制造以及光电测试,研究了基于硒化锡和碲化钯材料的红外太赫兹探测。以材料的表征与研究为基础,设计了不同的光电耦合结构以实现太赫兹器件的性能的增强,并且探索了新型材料的探测机理,证明了器件的优秀室温探测能力。本论文的主要创新与研究如下:1.二维材料硒化锡具有良好的导热系数和高的热电潜力,还具有材料低成本的优势。在基于硒化锡的探测器研究中,主要集中在可见光和红外波段,从未被拓展至太赫兹波段。在这里,我们首先通过微纳加工制备了硒化锡器件并讨论其在可见红外探测的表现,并且实现了可见红外的双波段成像。接下来,我们将硒化锡探测器的工作范围拓展到了太赫兹波段,并通过倾斜蒸镀金属的方法将器件沟道缩短至100 nm,通过理论模拟及实验证明了器件性能的增强。利用硒化锡的优异热电性质,结合光热电效应,通过对接触电...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)上海市
【文章页数】：100 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
电磁波谱中的太赫兹光谱区
第1章引言3图1.2太赫兹技术的应用。[1]Figure1.2Theapplicationofterahertztechnology.[1]太赫兹科学技术领域的研究在过去几十年里呈指数级增长。尽管过去科学家一直在天文学和分析科学等领域进行研究，然而，最近在光子学和纳米技术方面的技术创新使太赫兹研究能够应用于更多的领域。太赫兹源和太赫兹探测器作为太赫兹系统的主要组成部分，目前在国内外已经掀起了相关的研究高潮。通常使用的太赫兹源：连续波（Continuouswave-CW）和脉冲太赫兹辐射。比如，通过低温生长的砷化镓的光混频[8]、量子级联激光器[9]以及自由电子激光器[10]产生连续太赫兹波。另外，可以利用飞秒激光脉冲在半导体中产生超快光电流，从而产生电场载体加速，产生惠斯特脉冲THz波[11]。此外，高频电子技术的不断进步也使太赫兹技术的发展受益匪浅。目前，最先进的半导体和超导体逻辑电路的工作频率已经超过了100GHz（0.1THz）。与此同时，最近开发的固态电子设备，如共振隧穿二极管和THz单光子探测器，以及传统电子设备，如肖特基势垒二极管（SBDs），都在持续的向THz范围移动。太赫兹科学技术领域最近取得了许多突破，使相关的研究工作进入了中心阶段。太赫兹科学技术的里程碑包括时域光谱学（THz-TDS）的发展，太赫兹成像，以及利用非线性效应产生高功率的太赫兹辐射。在分析各种材料方面，这些太赫兹技术是远远优于传统工具的。光子学引领了许多重要的太赫兹器件的实现，例
红外太赫兹器件的光场调控及探测机理研究6成，用于将光栅上的泵浦脉冲点成像到非线性晶体中。为了使激光泵浦垂直进入LN晶体，并且使太赫兹脉冲从晶体垂直出射，LN存在一个楔角等于γ的倾斜角度。图1.3TPFPLN太赫兹源的工作原理图（a）和典型设置图（b）[14]。Figure1.3Theworkingprinciple(a)andthetypicalsetupofaTPFPLNTHzsource(b)[14].在0.2THz到2THz范围内，LN晶体中的TPFP被证明是一种非常有效的单循环太赫兹源。光学整流除了可以应用与铁电晶体外还可以应用于半导体及有机晶体。半导体是光学整流最早用于THz脉冲产生的晶体之一。然而，从泵浦激光脉冲到太赫兹脉冲的能量转换效率通常只有3×105。一般是由于双光子吸收和双光子吸收产生的自由载流子的太赫兹吸收限制了效率。1.2.2等离子体波产生太赫兹源基于飞秒激光诱导在气体介质中形成等离子体，是一种很有前途的太赫兹脉冲的产生方法。等离子体中的三次谐波产生的优点是适用的泵浦强度不受损伤阈值的限制，高频的产生不受声子共振的限制。利用强度超过了气体分子的电离阈值的飞秒激光脉冲在光诱导等离子体中能够产生强烈的太赫兹脉冲。由Hamster等人第一个通过TW120fs光脉冲聚焦在气体和固体目标上实现实验结果上的证明[15]。激光脉冲的有质动力源于激光强度的梯度，会导致电子和离子的强烈分离。当激光脉冲宽度接近逆等离子体频率时，有质动力的电荷分离发生共振激发等离子体波。相应产生的等离子体密度
本文编号：3545893
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)上海市
【文章页数】：100 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
电磁波谱中的太赫兹光谱区
第1章引言3图1.2太赫兹技术的应用。[1]Figure1.2Theapplicationofterahertztechnology.[1]太赫兹科学技术领域的研究在过去几十年里呈指数级增长。尽管过去科学家一直在天文学和分析科学等领域进行研究，然而，最近在光子学和纳米技术方面的技术创新使太赫兹研究能够应用于更多的领域。太赫兹源和太赫兹探测器作为太赫兹系统的主要组成部分，目前在国内外已经掀起了相关的研究高潮。通常使用的太赫兹源：连续波（Continuouswave-CW）和脉冲太赫兹辐射。比如，通过低温生长的砷化镓的光混频[8]、量子级联激光器[9]以及自由电子激光器[10]产生连续太赫兹波。另外，可以利用飞秒激光脉冲在半导体中产生超快光电流，从而产生电场载体加速，产生惠斯特脉冲THz波[11]。此外，高频电子技术的不断进步也使太赫兹技术的发展受益匪浅。目前，最先进的半导体和超导体逻辑电路的工作频率已经超过了100GHz（0.1THz）。与此同时，最近开发的固态电子设备，如共振隧穿二极管和THz单光子探测器，以及传统电子设备，如肖特基势垒二极管（SBDs），都在持续的向THz范围移动。太赫兹科学技术领域最近取得了许多突破，使相关的研究工作进入了中心阶段。太赫兹科学技术的里程碑包括时域光谱学（THz-TDS）的发展，太赫兹成像，以及利用非线性效应产生高功率的太赫兹辐射。在分析各种材料方面，这些太赫兹技术是远远优于传统工具的。光子学引领了许多重要的太赫兹器件的实现，例
红外太赫兹器件的光场调控及探测机理研究6成，用于将光栅上的泵浦脉冲点成像到非线性晶体中。为了使激光泵浦垂直进入LN晶体，并且使太赫兹脉冲从晶体垂直出射，LN存在一个楔角等于γ的倾斜角度。图1.3TPFPLN太赫兹源的工作原理图（a）和典型设置图（b）[14]。Figure1.3Theworkingprinciple(a)andthetypicalsetupofaTPFPLNTHzsource(b)[14].在0.2THz到2THz范围内，LN晶体中的TPFP被证明是一种非常有效的单循环太赫兹源。光学整流除了可以应用与铁电晶体外还可以应用于半导体及有机晶体。半导体是光学整流最早用于THz脉冲产生的晶体之一。然而，从泵浦激光脉冲到太赫兹脉冲的能量转换效率通常只有3×105。一般是由于双光子吸收和双光子吸收产生的自由载流子的太赫兹吸收限制了效率。1.2.2等离子体波产生太赫兹源基于飞秒激光诱导在气体介质中形成等离子体，是一种很有前途的太赫兹脉冲的产生方法。等离子体中的三次谐波产生的优点是适用的泵浦强度不受损伤阈值的限制，高频的产生不受声子共振的限制。利用强度超过了气体分子的电离阈值的飞秒激光脉冲在光诱导等离子体中能够产生强烈的太赫兹脉冲。由Hamster等人第一个通过TW120fs光脉冲聚焦在气体和固体目标上实现实验结果上的证明[15]。激光脉冲的有质动力源于激光强度的梯度，会导致电子和离子的强烈分离。当激光脉冲宽度接近逆等离子体频率时，有质动力的电荷分离发生共振激发等离子体波。相应产生的等离子体密度
本文编号：3545893
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