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THz太赫兹晶体 筱晓上海光子

发布时间:2021-11-30      点击次数:816

一、太赫兹波

 

太赫兹(terahertz,THz)波是特指一段特殊波段的电磁辐射,狭义的太赫兹波一般是指频率在0.1~10THz(1THz=1012Hz),波长为0.03~3mm的电磁波,在电磁波谱中位于微波和红外线波段之间。

 

而广义的太赫兹波频率范围可包含整个中红外和远红外波段,频率最高可达100THz。由于太赫兹波在电磁波谱中的位置十分特殊,它处在电子学和光子学的交叉领域,所以既不*适合用经典的光学理论来解释,也不*适合用电子微波理论来研究。

 

因此,以往在相当长的一段时期内太赫兹波段被认为是电磁波谱中的“jin区”。目前THz科学已经成为前沿的交叉学科。

 

 

太赫兹波在电磁波谱中的位置  

 

 

二,太赫兹波的特性

 

a)宽带性:太赫兹的频谱带宽比微波高几个数量级,频谱范围非常宽,是良好的信息载体,能够覆盖蛋白质和du品等大分子的转动振荡频率,这些大分子都在太赫兹波段具有很强的吸收和谐振,构成了相应的太赫兹特征谱,可以用于成分识别。

b)高分辨性:太赫兹激光器的脉冲为皮秒量级,能够达到很高的时间分辨率,可以用于生物样本等对时间分辨率较高的研究中,空间分辨率高可用于高分辨成像;多普勒频率高分辨可用于测速和目标探测。 

c)低能性:太赫兹的光子能量仅为毫电子伏特,不到X射线光子能量的百分之一,不会产生电离效应破坏被检测的物质。 

d)电磁特性:太赫兹电磁波特性可以突破“黑障区”(等离子鞘套),可用于空间飞行器通信。 

e)穿透性:太赫兹辐射对非金属穿透能力很强,对于日常所见的大部分介质,比如塑料、布料、陶瓷、纸张、木材、电介质等均具有很强的穿透性,衰减系数比超声波小2~3个数量级,但很难穿透金属材质和水,可以用于内部质量检测。

 

 

三、太赫兹波的应用

太赫兹波的*性能给通信、太赫兹成像、材料的研究和检测、军事等领域带来重大的影响,使得太赫兹波的研究备受关注。

目前,太赫兹波应用的两个关键技术分别是太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术。对太赫兹成像技术的研究主要集中在远距离探测和成像、检测材料结构特征和内部信息上,它可以作为探针,对物质内部波谱特性、化学成分、结构特征等进行深入研究。

在生物医学领域,DNA探测、太赫兹医学应用、太赫兹生物化学应用以及药物的分析和检测等方面有着强大的功效和应用前景,可以大大推动医疗器械的改进和药物的研制和鉴定。

在环境科学方面,太赫兹辐射可以穿透烟雾,检测到烟雾中的有毒气体和粉尘,美国等发达国家已经研制和应用太赫兹环境监控设备。

此外,太赫兹波在国防、返恐等方面有着*的优势。利用太赫兹波谱可以快速、有效的检查和识别du品,检测飞机、火箭等重要设备的故障。太赫兹卫星太空成像和通信技术将成为日后大国关注的重要领域。

 

 

 

  太赫兹雷达和太赫兹通信的应用  

、太赫兹波的产生

太赫兹波产生的主要途径有:半导体表面、偶极天线、光激发气体激光、自由电子激光、量子级联激光、以及非线性晶体的非线性转换等方式。产生太赫兹波的设备都过于庞大而且昂贵,相比之下,基于红外非线性晶体的频率变换技术获得的太赫兹辐射具有室温运转、调谐范围宽、功率高、窄线宽输出、体积小、重量轻、携带方便等优点。

ZnTe(碲化锌)晶体和GaSe(硒化镓)晶体就是产生太赫兹光源的极为重要非线性晶体。

 

五、太赫兹晶体-ZnTe(碲化锌)

ZnTe晶体是红棕色晶体,Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料,具有探测灵敏度高、探测带宽宽、稳定性强等特点,室温下禁带宽度约为 2.26 eV,具有立方闪锌矿的结构。ZnTe 具有非常优良的光电特性,在光电子学、自旋电子学等领域有巨大应用潜力,引起了人们的广泛兴趣。

碲化锌单晶具有良好的相位匹配特性和电光特性,是常用的通过光整流效应生成THz辐射场的电光晶体。

 

 

 

  ZnTe晶体结构模型  

 

 

<110>晶向的ZnTe(碲化锌)晶体常通过光学整流来产生太赫兹振荡。光学整流效应是一种二阶非线性效应,也是一种特殊的差频效应。一定宽度的飞秒激光脉冲,拥有非常宽的频率分量,这些分量间的相互作用(主要是差频)将会产生从0到几个太赫兹的电磁波。

 

 

ZnTe晶体  

 

 

 

太赫兹脉冲可通过另一个自由空间的<110>晶向ZnTe实现光电探测。太赫兹光脉冲会使ZnTe晶体产生双折射,因此当太赫兹光脉冲和可见光脉冲同时在ZnTe晶体中直线传播时,可见光的偏振状态将会因此发生变化。

 

使用λ/4波片,偏振分光体,以及平衡光电二极管,我们可以完成对可见光的偏振状态的监控,从而得知太赫兹光脉冲的振幅,延迟等各种参数。而这种监测太赫兹光脉冲的完整电磁场信息(振幅和相位延迟)的能力,是时域太赫兹光谱仪*吸引力的特性之一。

 

公司ZnTe晶体与GaSe晶体同样应用为:太赫兹时域系统、太赫兹源晶体、中远红外气体探测、CO2激光的SHG、太赫兹成像。

 

公司ZnTe晶体接受客户定制服务,有多种尺寸可选,并为客户导向解决方案。

 

  ZnTe晶体的透过率曲线  


 

  ZnTe晶体实验室光路系统  


 

脉冲穿过2mm的ZnTe晶体及  

  对应的傅里叶光谱  

六、太赫兹晶体-GaSe(硒化镓)

GaSe晶体是负单轴层状半导体晶体,拥有六边形结构的62m空间点群。GaSe晶体层与层之间van der Waals力相结合。

由于这种弱力相互作用导致其极易沿层方向(0001)解离,解离后的自然表面非常平整光滑,无需进一步的抛光处理既可以进行测试或用于频率转换应用研究。对该晶体使用的一个很大限制在于质软,易碎。

GaSe晶体化学性能比较稳定,在室温环境下可以存放2~2.5年,表面没有明显变化。

 

 

  GaSe晶体的透视图和俯视图  


 

 

 

 

 

  GaSe晶体  


 

可用于太赫兹波产生的  

 非线性晶体吸收系数  


 

GaSe晶体抗损伤阈值高,300K时禁带宽度为2.2eV,非线性系数大(54pm/V),非常合适的透明范围,以及超低的吸收系数,这使其成为中红外宽带电磁波振荡的非常重要的解决方案。

 

虽然GaSe晶体在太赫兹波段范围内晶体的线性吸收系数较红外波段大,但它仍然比其它几种非线性光学晶体有很明显的优势。

 

GaSe晶体的透过率曲线 

  GaSe晶体的透过率曲线  


GaSe晶体的太赫兹振荡能达到有非常宽的频域,至41THz。因宽带太赫兹振荡和探测使用的是低于20飞秒的激光光源,GaSe发射-探测系统能获得与ZnTe可比的甚至更好的结果。通过对GaSe晶体厚度的选取,我们可以实现对太赫兹波的频率可选择性控制。

 

公司GaSe晶体与ZnTe晶体应用:太赫兹时域系统、太赫兹源晶体、中远红外气体探测、CO2激光的SHG、太赫兹成像。

 

GaSe晶体与ZnTe晶体接受客户定制服务,有多种尺寸可选,并为客户导向解决方案。

 

 

  GaSe晶体实验室光路系统  


 

 

  GaSe晶体EOS测量及反演结果