太赫兹片上系统中低温砷化镓薄膜光电导天线的研究（英文）

太赫兹时域光谱技术是一种在太赫兹频段内,广泛应用的光谱测量技术。这种技术可以用于许多物质的频谱分析,对于研究化学、半导体与生物分子等领域有着无可比拟的作用。然而用该系统进行样品探测时,受回波的影响频谱分辨率较低;受太赫兹波光斑大小以及待测样品与电磁波相互作用距离长短的影响,样品消耗量较多,并且整个系统的占用空间较大,这些局限性都限制了太赫兹时域光谱系统的进一步发展。为了突破太赫兹时域光谱系统的局限性,设计了一种将太赫兹泵浦区、探测区和传输波导集成到一个硅片上的太赫兹片上系统,该系统不仅能够解决上述系统的局限性,还能够省去样品测量前的光路准直环节,使样品的测量过程更加简便,同时集成化的系统也很大程度上提高了太赫兹波传输的稳定性。在太赫兹片上系统中,泵浦区和探测区的光电导天线是由低温砷化镓和金属电极制成,由于受到太赫兹片上系统的高度集成化和低温砷化镓晶体生长条件的限制,如何制备出低温砷化镓半导体薄膜衬底,并将其转移与键合,是太赫兹片上系统研制过程中的关键环节。首先利用分子束外延(MBE)技术制备出由半绝缘砷化镓、砷化镓缓冲层、砷化铝牺牲层和低温砷化镓层构成的外延片,然后利用盐酸溶液与砷化铝和低温砷化镓反应速度差别较大的原理,将200 nm厚的AlAs牺牲层腐蚀掉,从而得到2μm厚的低温砷化镓薄膜。为了更加高效并且完整地得到低温砷化镓薄膜,研究了盐酸溶液在不同温度和不同浓度下与AlAs牺牲层的选择性腐蚀速率的关系。给出了低温砷化镓薄膜制备过程中盐酸的最佳体积比浓度和最佳温度,即在73℃下13.57%的盐酸溶液中进行砷化铝牺牲层的腐蚀。相比于已有工艺,这种腐蚀方法对实验设备的要求较低并且具有较高的安全性。最后,将单层低温砷化镓薄膜转移键合至硅片上,并制成光电导天线的结构。利用飞秒激光脉冲进行激发探测到太赫兹信号。由此说明,低温砷化镓薄膜的获取、转移与键合工艺能够满足芯片级太赫兹系统的制作要求,这为太赫兹片上系统的进一步研制打下了坚实的基础。     

基于LT-GaAs外延片的THz片上系统

太赫兹（THz）波在物质检测方面发挥着巨大的作用,是一种非常有潜力的生化传感工具。但是传统的太赫兹时域光谱系统（TDS）结构复杂,系统的集成度低,占用空间较大。所以,如何对THz波进行有效引导、实现集成化传输并得到高质量光谱就成为太赫兹光谱系统的研究热点。太赫兹片上系统是将THz的产生、传输以及探测都集成到同一芯片上,然后通过相干探测的方法获得THz时域光谱。它可以实现对多种样品的检测,尤其在对难于取样的微量样品探测方面具有广泛的应用价值。它无需光路准直,操作简便,成品率高。两个研究工作都是基于低温砷化镓(LT-GaAs)外延片开展的。首先将一根直径为200 μm的铜线固定在LT-GaAs外延片的上方,通过真空蒸镀的方法制备出天线电极,同时得到天线间隙,研制出基于LT-GaAs外延片的THz天线。利用波长为800 nm的飞秒激光对其进行测试,得到了质量较高的THz信号,验证了天线的实用性。然后在另一外延片上利用光刻微加工工艺制作出传输线和微电极,得到了集成的THz片上系统。使用波长为1 550 nm的飞秒激光分别激发片上系统的太赫兹产生天线和探测天线,天线产生的太赫兹波在传输线上传播,在探测端同样得到了质量较高的THz时域信号,证实了THz片上系统的可行性。该方法省去了腐蚀牺牲层以及LT-GaAs薄膜的转移、键合等步骤,极大地提高了片上系统的成品率,避免了薄膜转移过程中易破碎及腐蚀液存在毒性的问题。最后,研究了外加电压对从片上系统中获得的THz波性能的影响,结果为电压越高,THz波的信号强度越强;另外,通过在传输线上方垂直放置铜箔的方法验证了THz波沿着传输线传播的事实。该研究中采用的基于LT-GaAs外延片的片上系统的制备方法简单,制作周期短,制作过程安全,应用领域广泛,这为将来与微流控芯片相结合实现对液体样品的探测打下了基础。     

太赫兹技术在爆炸物检测中的应用

研究了太赫兹成像技术在爆炸物探测中的应用,分析了太赫兹透射型时域光谱系统的实验装置,介绍了太赫兹时域光谱的测量步骤。确定了四种爆炸物样品(TNT,RDX,DNT,HMX)在太赫兹波段的吸收谱。结果表明,这四种爆炸物样品在0~2.5THz的频率范围内均存在特征吸收峰,这为太赫兹技术检测爆炸物提供了一种有效的途径。     

超宽带太赫兹时域光谱探测技术研究进展

太赫兹时域光谱(THz time-domain spectroscopy, THz-TDS)技术是一种非常有效的相干探测技术,具有信噪比高,探测带宽,可在室温下工作,可进行时间分辨测量等特点,广泛应用于材料、化学、生物、安检等领域。较早时期的THz-TDS系统受限于太赫兹辐射源的带宽和光谱探测手段,测量范围有限(<5 THz),较高频段的光谱信息无法得到。为了进一步扩大太赫兹时域光谱探测技术的应用范围,迫切需要发展超宽带(≥10 THz)的太赫兹时域光谱探测技术。本文回顾了太赫兹时域光谱探测技术的发展进程,综述了实现超宽带太赫兹时域光谱探测的主要技术方法,展示了不同测量方法的典型实验方案,同时总结了不同探测方法的优缺点,并追踪了主要研究小组的前沿成果以及最新的应用进展。     

基于迈克尔逊干涉仪的太赫兹光谱高速探测方法研究

太赫兹光谱技术作为获取物质在太赫兹频段信息的主要方法,已经被广泛应用于物质成分的测定,而其在成分分布成像方面则有着更广阔的应用前景,例如片剂药品的有效成分检测、行李安检的危险物品检测等。现有的太赫兹光谱探测方法时域光谱技术（THz-TDS）和频域光谱技术（THz-FDS）均不能很好地兼顾光谱分辨率与扫描时间;且获得物质光谱数据往往要花费数秒乃至数分钟时间（取决于光谱仪的结构）,这对多像素成像系统显得过于迟缓,更无法达到视频成像的速率需求,严重制约了太赫兹光谱成像的实际应用。目前的太赫兹波成像多为全频段波强度成像,只能反映样品的空间分布信息,并不能反映出样品的光谱即成分信息。因此,对太赫兹光谱探测速率的提升十分迫切,太赫兹光谱高速探测的实现不仅可以显著减少物质成谱的实验耗时,还为实现物质的太赫兹光谱成分分布成像提供了可能。提出了一种基于迈克尔逊干涉仪的太赫兹光谱高速探测方法,在设计了该方法装置结构的基础上,理论分析了其工作过程,同时进行了太赫兹光谱的计算。然后从数据采样、数据处理及参数选择这几个方面进行问题分析,计算得出该方法能够显著加快物质太赫兹光谱的扫描获取速率。最后,对该方法建模进行仿真研究,模拟实现其完整的探测过程。在仿真研究中,以太赫兹辐射源的频谱分布为例,将该方法的建模仿真结果与时域光谱技术（THz-TDS）测试结果进行了对比,结果表明时域光谱技术（THz-TDS）所测得的频谱曲线可以近似看作是该高速光谱探测法所得频谱曲线的包络线,两种不同方法所得频谱结果具有较强的一致性。总之,该方法能够进行样品的太赫兹光谱探测,且在保证分辨率相同的前提下,较时域光谱技术（THz-TDS）显著加快了成谱速率,为实用、高通量太赫兹光谱成像提供了一种可能。     

基于金属孔阵列的聚酰亚胺薄膜太赫兹探测

优化设计了多种不同孔径和形状的太赫兹波段的亚波长金属孔阵列结构,结合超薄低折射率的聚酰亚胺（PI）薄膜,探索了太赫兹时域光谱技术对超薄低折射率的探测灵敏性。利用飞秒微加工技术制备了一系列亚波长金属孔阵列结构,利用太赫兹时域光谱技术测试了阵列结构的反射波谱,获得了强烈的反射共振现象。然后在亚波长金属孔阵列结构背面叠加PI薄膜,结果表明太赫兹反射峰出现了显著低频移动现象。利用这一现象,实现了低至10 m的PI薄膜的有效探测,说明亚波长金属孔阵列结构在太赫兹传感领域对检测超薄低折射率薄膜材料有极强敏感性。收稿日期:; 修订日期:     

一种有效提高太赫兹时域光谱装置成像空间分辨率的方法

太赫兹波成像技术一个最显著的制约因素是其有限的空间分辨率。提出通过在样品前加小孔的方法来提高传统太赫兹时域光谱装置成像的空间分辨率。采用在样品前约2 mm处加直径为0.5 mm小孔的方法使成像的空间分辨率从1.276 mm提高到0.774 mm,提高0.502 mm,约39％。通过这个简单的方法在传统的太赫兹时域光谱成像装置上实现了空间分辨率从毫米量级到亚毫米量级的提高。聚乙烯板上直径为1 mm的小孔被作为成像的研究对象,分别采用传统的太赫兹时域光谱装置对样品进行直接成像和在样品前约2 mm处加直径为0.5 mm的小孔后对样品成像两种方式,并采用损失成像中信噪比较好的能量损失成像,对比两种方式得到的样品的太赫兹像,结果显示聚乙烯板上小孔的边界加小孔后成像比不加小孔直接成像明显清晰。证实了在样品前加小孔可以有效的提高太赫兹成像系统的空间分辨率。从理论上对通过在样品前加小孔提高系统空间分辨率的方法进行了分析,指出小孔尺寸越小,系统的空间相干长度越大,空间分辨率越高,但同时太赫兹信号的强度会相应减小。该方法可以简单有效的提高太赫兹时域光谱装置成像的空间分辨率,从而进一步拓展太赫兹谱成像技术的应用领域。     

一种有效提高太赫兹时域光谱装置成像空间分辨率的方法

太赫兹波成像技术一个最显著的制约因素是其有限的空间分辨率。提出通过在样品前加小孔的方法来提高传统太赫兹时域光谱装置成像的空间分辨率。采用在样品前约2 mm处加直径为0.5 mm小孔的方法使成像的空间分辨率从1.276 mm提高到0.774 mm, 提高0.502 mm, 约39％。通过这个简单的方法在传统的太赫兹时域光谱成像装置上实现了空间分辨率从毫米量级到亚毫米量级的提高。聚乙烯板上直径为1 mm的小孔被作为成像的研究对象, 分别采用传统的太赫兹时域光谱装置对样品进行直接成像和在样品前约2 mm处加直径为0.5 mm的小孔后对样品成像两种方式, 并采用损失成像中信噪比较好的能量损失成像, 对比两种方式得到的样品的太赫兹像, 结果显示聚乙烯板上小孔的边界加小孔后成像比不加小孔直接成像明显清晰。证实了在样品前加小孔可以有效的提高太赫兹成像系统的空间分辨率。从理论上对通过在样品前加小孔提高系统空间分辨率的方法进行了分析, 指出小孔尺寸越小, 系统的空间相干长度越大, 空间分辨率越高, 但同时太赫兹信号的强度会相应减小。该方法可以简单有效的提高太赫兹时域光谱装置成像的空间分辨率, 从而进一步拓展太赫兹谱成像技术的应用领域。     

基于微流控技术的磁流体载基液的太赫兹透射特性研究

太赫兹(THz)是指频率在0.1～10 THz的电磁波,其波长在30～3 000 μm范围内。由于自然界许多小分子的振动、转动等的频率均在太赫兹波段,并且太赫兹的低电子能特性使其在实验过程中不会对待测样品造成破坏,所以太赫兹技术被广泛地应用于无损检测、生物医学等领域。但是太赫兹在铁磁领域的相关报道还是较少的,因此本研究利用太赫兹时域光谱系统研究了一种新型磁性材料：磁流体的组成部分-载基液的太赫兹透射特性。磁流体是一种兼具液体流动性和固体磁性的新型功能材料,其打破了传统磁性材料的固体形态。磁流体由Fe₃O₄纳米级颗粒以及载基液构成。在前人的研究成果中发现磁性液体不仅具有良好的磁光效应,而且对于一定频率的太赫兹波具有高透射率;另外,在极低频电磁场作用下其可用于医学上的肿瘤治疗,可作为靶向治疗的载药系统。由于磁流体的组成部分-载基液成本较高,因此在实验中运用了微流控技术。微流控技术对检测样品的消耗少、检测速度快,并且可以根据实验需求自行设计沟道,因此是一种便捷的、灵活性好的检测方式。采用对太赫兹波具有高透过率的石英材料制成了夹心式的太赫兹微流控芯片。首先将两块3 cm×3 cm×2 mm的石英玻璃作为基片和盖片,再把强粘黏性双面胶剪刻成镂空样式,形成2 cm×2 cm的方形区域,然后把盖片和基片通过雕刻好的强粘黏性双面胶键合,其沟道厚度为50 μm,可以用于对少量液体的探测,并且可以使载基液呈薄膜状。之后将太赫兹技术和微流控技术相结合,利用太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统研究了载基液的太赫兹透射特性,通过对太赫兹时域光谱以及频域光谱的研究发现,装有载基液的微流控芯片的信号强度高于空的微流控芯片,这一发现为载基液的应用和深入研究提供了技术支持。     

太赫兹片上系统和基于微纳结构的太赫兹超宽谱源的研究进展

目前太赫兹辐射信号的功率不高,辐射带宽也较窄,这些对于生物化学、含能材料的太赫兹检测应用领域来说是一大限制因素,因此如何获得宽谱高功率的太赫兹源对于太赫兹时域光谱系统的发展是非常重要的;另一方面,常规的太赫兹系统是在自由空间传输探测的,测量过程需要在氮气或者干燥空气环境中进行,以克服空气中水的吸收干扰,同时自由空间中的光场与物质相互作用的模式又降低了物质检测的灵敏度,这对于痕量物质检测来说构成了挑战.面对这一问题,太赫兹片上系统利用微纳结构中的局域场效应实现对物质的低浓度检测,此方案有助于解决这一应用难题.综上所述,本文分成以下两部分阐述:首先阐述了纳米金属薄膜作为新的太赫兹源,它可以同时产生非相干的和相干的太赫兹信号,其输出为超过100 THz的太赫兹-红外辐射,功率高达10 mW,这种超宽谱和高功率现象主要是由于非相干的热辐射效应引起的;第二,阐述了基于不同传输线结构、不同基底材料的太赫兹片上系统结构设计和光谱应用.基于共面带状线结构和聚合物材料基底的太赫兹片上系统有着较低的损耗,能够实现超过2 THz带宽的测量和生物化学应用.     

Terahertz generation and detection of LT-GaAs thin film photoconductive antennas excited by lasers of different wavelengths

A new method of generating and detecting terahertz waves is proposed. Low-temperature-grown gallium arsenide (LT-GaAs) thin films are prepared by etching a sacrificial layer (AlAs) in a four-layer epitaxial structure constituted with LT-GaAs, AlAs, GaAs, and semi-insulating gallium arsenide (SI-GaAs). The thin films are then transferred to clean silicon for fabricating the LT-GaAs thin film antennas. The quality and transmission characteristics of the films are analyzed by an 800-nm asynchronous ultrafast time domain spectroscopy system, and the degree of bonding between the film and silicon wafer is determined. Two LT-GaAs thin film antennas for generating and detecting the terahertz waves are tested with a 1550-nm femtosecond laser. The terahertz signal is successfully detected, proving the feasibility of this home-made LT-GaAs photoconductive antennas. This work lays a foundation for studying the mechanism of terahertz wave generation in GaAs photoconductive antennas below the semiconductor band gap.     

大孔径光电导天线产生高功率窄带宽THz辐射特性分析

从大孔径光电导天线产生THz辐射的饱和理论出发，考虑了载流子的瞬变迁移率.分析了脉冲序列激发大孔径光电导天线产生高功率窄带宽THz辐射的特性.对比了单个光脉冲和序列光脉冲激发SI-GaAs和LT-GaAs光电导天线的饱和特性.分析表明，采用序列光脉冲激发载流子寿命小于光脉冲间隔的光电导天线时，可以克服大孔径光电导天线的饱和特性，产生高峰值功率的窄带THz辐射.     

光电导开关产生太赫兹电磁波双极特性分析

利用光电导体产生太赫兹电磁波(THz波)，THz远场辐射波形与光电导体材料的载流子寿命、偏置电场以及触发光有直接关系.用不同方法对低温GaAs(LT-GaAs)和半绝缘GaAs(SI-GaAs)光电导开关辐射的THz电磁波所呈现的双极特性进行了模拟计算.结果表明，LT-GaAs光电导开关辐射THz波呈现双极性的主要原因是光生载流子寿命小于一个THz波产生时间；而光生载流子寿命大于100ps的SI-GaAs光电导开关，在不同的实验条件（不同偏置电场、不同光脉冲能量）下，产生的THz波呈现双极特性的主要原因分别是载流子发生了谷间散射和空间电荷电场屏蔽. 关键词： 光电导开关 THz电磁波 载流子寿命 空间电荷屏蔽     

低温生长砷化镓的超快光抽运-太赫兹探测光谱

本文采用光抽运-太赫兹探测技术系统研究了低温生长砷化镓(LT-GaAs)中光生载流子的超快动力学过程.光激发LT-GaAs薄层电导率峰值随抽运光强增加而增加,最后达到饱和,其饱和功率为54μJ/cm~2.当载流子浓度增大时,电子间的库仑相互作用将部分屏蔽缺陷对电子的俘获概率,从而导致LT-GaAs的快速载流子俘获时间随抽运光强增加而变长.光激发薄层电导率的色散关系可以用Cole-Cole Drude模型很好地拟合,结果表明LT-GaAs内部载流子的散射时间随抽运光强增加和延迟时间(产生光和抽运光)变长而增加,主要来源于电子-电子散射以及电子-杂质缺陷散射共同贡献,其中电子-杂质缺陷散射的强度与光激发薄层载流子浓度密切相关,并可由散射时间分布函数α来描述.通过对光激发载流子动力学、光激发薄层电导率以及迁移率变化的研究,我们提出适当增加缺陷浓度,可以进一步降低载流子迁移率和寿命,为研制和设计优良的THz发射器提供了实验依据.     

NOVEL TERAHERTZ PHOTOCONDUCTIVE ANTENNAS

The photoconductive (PC) antenna is a key device for the recent terahertz (THz) photonics based on laser-pumped generation and detection of THz radiation. In this paper we report on two new types of PC antennas: the Schottky PC antenna and the multi-contacts PC antenna. The former one is able to detect THz radiation intensity without the time-delay scan and useful for applications where spectroscopic information is not important, such as the THz intensity imaging. The latter one is useful for the polarization sensitive THz spectroscopy, such as the THz ellipsometry. The characteristic features of these new types of PC antennas are studied by using a THz time-domain spectroscopy system.     

利用3D打印技术制备太赫兹器件

高性能的太赫兹器件在控制太赫兹波方面起到重要的作用,因此寻求一种简单有效的太赫兹器件加工方案非常必要。本文以太赫兹波导和太赫兹滤波器为例,分别选用Kagome型光子晶体结构的波导和一维光子晶体结构的滤波器,运用商用的3D打印机加工样品,并采用透射式太赫兹时域光谱系统对样品的参数进行测量。实验结果表明:加工的波导在0.2~1.0 THz范围内传输损耗平均值约为0.02 cm~(-1),最小值可达到0.002 cm~(-1),且可运用机械拼接的方式将多个波导进行简单的连接从而获得更长的波导而不引起严重的损耗;滤波器的透射谱在0.1~0.5 THz之间有两个明显高损耗带;这两组实验结果均与理论预计非常接近。本文运用太赫兹波导和滤波器的实例证实了3D打印技术加工太赫兹器件的可行性,将会成为获取性能可控、价格低廉的太赫兹器件的有效途径。     

All-semiconductor laser driven terahertz time-domain spectrometer

We present a terahertz time-domain spectrometer pumped by an all-semiconductor femtosecond laser system which emits 600 fs long optical pulses at 830 nm. Standard LT-GaAs antennas are used to generate and coherently detect THz radiation with a bandwidth of 1.4 THz. The measured time traces are in good agreement with simulations based on the Drude–Lorentz model. Spectroscopic measurements on polymers with different additive contents as well as THz imaging were carried out to confirm the successful operation of the spectrometer. Our approach holds great potential for the development of cost-effective, rugged and portable THz spectrometers for a variety of applications.     

外差式相干探测时域光谱仪对磷化铟（InP）晶片的超宽频带太赫兹光谱的探测

磷化铟（InP）属于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料, 在毫米波的应用中展示出了高性能,在非线性太赫兹器件应用上具有很大的潜力。以前关于InP的研究主要集中于太赫兹频率在0.1～4 THz的频率范围内,在4～10 THz频率范围内InP的太赫兹光学数据还是空白。该研究利用空气等离子体相干探测太赫兹波的时域光谱系统研究了无掺杂的InP晶片在超宽THz频率范围（0.5～18 THz）内的光学特性, 实验中用电离的空气作为太赫兹的发射器和探测器, 利用可以调制的局部偏压诱导二次谐波产生,使在气体中太赫兹波的相干探测成为可能,明显提高了系统的动态范围和灵敏度。产生的太赫兹频谱宽度主要被激光脉冲持续时间所限制,太赫兹脉冲通过InP晶片后相对于参考脉冲会延迟,同时振幅会降低。另外,太赫兹信号的频谱振幅在6.7～12.1 THz范围内下降到本底噪声。同时还可以看出InP晶片在6.7～12.1 THz频率范围内不透光,在0.8～6.7 THz以及12.1～18 THz频率范围内InP的吸收系数相对较低,特别是在15～17.5 THz范围内吸收系数很低并且保持相对稳定,与此同时它的折射率单调增加。这些发现将有助于基于InP晶片的非线性太赫兹器件设计。     

激光诱导和化学镀铜制备太赫兹偏振器和滤波器

利用激光诱导与化学镀铜的方法在聚酰亚胺薄膜上制备了太赫兹线栅偏振器和带阻滤波器,用太赫兹时域光谱系统对所制备的器件进行了测试。测试结果表明,该方法制备的太赫兹线栅偏振器在0.2～1.5 THz范围内的消光比优于20 dB,耶路撒冷十字结构带阻滤波器的3个中心频率分别为0.41、1.07、1.47 THz。实验结果与时域有限差分法的仿真结果基本相符。研究表明激光诱导与化学镀铜是一种简单灵活且能有效地制备太赫兹器件的方法。