用光电导方法产生高功率太赫兹电磁波

施卫
西安理工大学超快光电技术研究中心   西安710048

        目前，简便易行的产生脉冲THz辐射的主要方法有两种，即光电导激发机制和光整流效应。前者是利用超快脉冲激光触发直流偏置下的光电半导体，因光生载流子在偏置电场作用下加速运动而辐射THz电磁波。光电导THz电磁辐射发射系统的性能与光电导芯片、天线的几何结构和触发激光脉冲宽度有关。其中，光电导芯片是产生THz电磁波的关键部件，性能良好的光电导芯片应该具有载流子寿命短，迁移率高和能够承受高电压，大电流的能力。光整流效应是一种非线性效应，利用亚皮秒量级激光脉冲和非线性介质相互作用产生的低频电极化场也可以辐射出THz电磁波，用整流效应辐射THz电磁波的强度和频率分布决定于激光脉冲的特征和非线性介质的性质。由于光整流效应产生的THz波的能量仅仅来源于入射激光脉冲的能量，而光电导激发机制辐射THz波的能量主要加载在光电导体上的偏置电场，所以用光电导激发机制辐射的THz电磁波能量通常比用光整流效应产生的THz波能量强。结合用半绝缘GaAs材料研制横向型超快光电导开关的研究经验，我们已经研制了具有条形电极结构的GaAs光电导偶极天线，在fs超快激光脉冲触发下进行了THz电磁波的发射和测试实验，得到了频谱宽度大于2THz、脉冲宽度约1ps的THz电磁波。实验表明，增加光电导偶极芯片两电极之间的偏置电场E b，可以提高所辐射THz电磁场的强度。采用多层透明绝缘结构，可以提高它在工作状态时的偏置电场强度，从而提高GaAs光电导偶极天线辐射THz电磁波的强度。在远场条件下，THz辐射强度与GaA s芯片表面光激发瞬态电流Js的时间导数成正比。由于瞬态电流Js的时间变化率决定于触发光脉冲，因此，在远场条件下THz电磁波强度决定于触发光脉冲的宽度、功率和偏置电场的强度。另外，光电导偶极芯片的电极兼有发射天线的作用，可以通过设计金属电极的形状，改进条状天线(电极)为对数螺旋天线或对数周期天线，以提高THz电磁波的发射效率。最近的实验研究表明，用组合开关结合在气体中形成的等离子体有可能进一步提高光电导偶极辐射THz波的功率；用缝隙光电导天线有可能通过调节缝隙来调谐偶极辐射的波段；用光控延迟方式结合光电导阵列，使各个光电导天线辐射的THz波在空间相干合，将大幅度提高THz辐射功率。