基于太赫兹量子阱探测器的太赫兹量子级联激光器发射谱研究

采用一个光谱匹配的太赫兹(THz)量子阱探测器(QWP)研究了一激射频率约为41 THz的THz量子级联激光器(QCL)在不同驱动电流下的发射谱,分析了测量得到的发射谱谱型和谱峰位置,根据测量的发射谱估算了太赫兹量子级联激光器发射功率随驱动电流变化的情况,从而得到了THz QCL激射的电流密度范围及其阈值电流密度.文中还研究了THz QWP在不同温度下对THz QCL 激光辐射的响应特性.研究结果表明,THz QWP在表征THz QCL的发射谱方面是一种很好的探测器,并有望成为未来THz通信中的接收装置. 关键词： 太赫兹量子阱探测器 太赫兹量子级联激光器 太赫兹通信 Fourier变换红外光谱     

基于太赫兹量子级联激光器的无线信号传输的实现

文章采用连续波激射的太赫兹量子级联激光器(THz QCL) 为发射端、光谱匹配的THz量子阱探测器(THz QWP) 为接收端, 搭建了基于THz波的无线传输演示系统. 测量并分析了该演示系统的传输带宽. 采用搭建的无线传输系统演示了基于4.13 THz电磁波的图片文件的无线传输过程, 得到了与源文件一致的结果, 验证了采用THz QCL和THz QWP进行THz信号无线传输的可行性.最后, 分析了演示系统的传输速率, 给出了提高系统传输速率的方法.     

半绝缘等离子体波导太赫兹量子级联激光器工艺研究

采用气态源分子束外延设备生长了GaAs/AlGaAs束缚态到连续态跃迁结构的太赫兹（THz）量子级联激光器（QCL）有源区结构,研究了半绝缘等离子体波导THz QCL的器件工艺,采用远红外傅里叶变换光谱仪以及探测器测量了器件的电光特性.器件激射频率为32 THz,10 K下的阈值电流密度为275 A/cm². 关键词： 太赫兹 量子级联激光器 波导 器件工艺     

共振声子太赫兹量子级联激光器研究

本文综述了共振声子太赫兹(THz)量子级联激光器(QCL)载流子输运及其光电特性的研究结果。我们采用Monte Carlo方法模拟了不同有源区结构的共振声子THz QCL,如四阱有源区和三阱有源区结构等,优化了THz QCL的器件参数。计算表明,器件的增益依赖于注入势垒的宽度、掺杂浓度和声子抽运能级间隔等参数。单阱注入的THz QCL可以获得低的激射频率,而三阱有源区结构的THz QCL具有更高的工作温度。我们数值模拟了这两种器件结构在不同寄生电压下的电子输运、增益以及温度特性等。同时,我们实验测量了THz QCL的发射谱偏压和温度效应,计算结果与实验相吻合。研究结果表明,随着偏压增加发射谱出现了明显的频率蓝移,多模激射仅出现在大电流注入情形。与偏压的密切依赖关系不同,激射频率对温度的变化并不敏感。     

太赫兹量子级联激光器材料生长及表征

采用气态源分子束外延方法生长了束缚态到连续态跃迁太赫兹量子级联激光器（terahertz quantum-cascade laser,简称THz QCL）有源区结构,并且采用电化学CV仪、霍尔测试仪以及高分辨X射线衍射对材料的质量进行表征,得出THz QCL有源区具有很高的晶体质量.另外,采用蒙特卡罗方法模拟了共振声子THz QCL器件的I-V曲线,分析了在不同偏压下子能级的对齐状况和电子的输运特征. 关键词： 太赫兹 量子级联激光器 分子束外延 X射线衍射     

太赫兹量子级联激光器频率梳的色散

群速度色散会限制太赫兹量子级联激光器频率梳的稳定以及频谱宽度.对于太赫兹量子级联激光器频率梳,其色散主要由器件增益、波导损耗、材料损耗引起.研究基于4.2 THz量子级联激光器双面金属波导结构,通过建立德鲁德模型,利用有限元法计算了激光器的波导损耗;器件未钳制的增益由费米黄金定则计算得到,结合增益钳制效应,计算了器件子带电子跃迁吸收以及镜面损耗,得到了器件钳制后的增益;利用Kramers-Kronig关系得到了器件的增益、波导损耗、材料损耗引起的色散,结果表明器件的激射区域存在非常严重的色散(–8×10~5—8×10~5 fs~2/mm).同时,计算了一种基于Gires-Tournois干涉仪结构的色散,结果表明,该结构的色散具有周期性,可以用于太赫兹量子级联激光器的色散补偿.     

太赫兹量子级联激光器中有源区上激发态电子向高能级泄漏的研究

利用热力学统计理论和激光器输出特性理论,建立了太赫兹量子级联激光器(THz QCL)有源区中上激发态电子往更高能级电子态泄漏的计算模型,以输出功率度量电子泄漏程度研究分析了晶格温度和量子阱势垒高度对电子泄漏的影响.数值仿真结果表明,晶格温度上升会加剧电子泄漏,并且电子从上激发态泄漏到束缚态的数量大于泄漏到阱外连续态,同时温度的上升也会降低激光输出功率.增加量子阱势垒高度能抑制电子泄漏,并且有源区量子阱结构中存在一个最优量子阱势垒高度. THz QCL经过最优量子阱势垒高度优化后,工作温度得到提升,其输出功率相比于以往的结果也有所提高.研究结果对优化THz QCL有源区结构、抑制电子泄漏和改善激光器输出特性有指导作用.     

分布反馈太赫兹量子级联激光器实现高功率单模输出

太赫兹量子级联激光器(THz QCL)是一种基于超晶格或耦合多量子阱中电子共振隧穿和子带间跃迁的单极光源,其辐射频率可通过能带和波函数设计进行调控,具有响应速度高、体积小、便于集成等优点。近年来,国际上多个科研团队展开了对THz QCL的密集研究,器件性能取得了显著的进展。针对THz QCL的实际应用,目前急切需要解决两个方面的问题:第一方面,受限于严重的大气衰减、光束合成等困难,急需解决THz QCL功率输出提升的问题。第二方面,研制窄线宽、高功率单模输出的太赫兹本振源。     

2.9THz束缚态向连续态跃迁量子级联激光器研制

采用气源分子束外延技术生长了GaAs/AlGaAs束缚态向连续 态跃迁的太赫兹量子级联激光器材料, 基于半绝缘等离子体波导工艺制作了太赫兹量子级联激光器. 测量了激光器的发射光谱和功率-电流-电压关系曲线, 研究了器件的激光特性. 器件激射频率约2.95 THz, 脉冲模式下, 最高工作温度为67 K. 连续波模式下, 阈值电流密度最低为230 A/cm², 最大光输出功率1.2 mW, 最高工作温度为30 K. 关键词： 太赫兹 量子级联激光器 分子束外延 波导     

二阶分布反馈太赫兹量子级联激光器的光学特性

太赫兹量子级联激光器(THz QCL)的增益谱较宽,使用普通法布里-珀罗腔时一般为多纵模激射。二阶分布反馈THz QCL可利用表面辐射损耗消除模式简并,实现单纵模激射。采用耦合模理论对单面金属波导二阶分布反馈THz QCL基本参数的计算公式进行了理论推导,并研究了光栅结构参数对其耦合系数、阈值增益、光子密度及外微分量子效率等参数的影响。在以自然解理面为端面的波导上刻蚀占空比约为0.15、有源区深度为0.5μm的光栅时,激光器的阈值增益较低,腔内光子密度分布相对均匀,能够实现单纵模激射。     

太赫兹科学与技术研究回顾

太赫兹光谱系统利用远红外辐射获得分子的某些光谱信息，这些信息在电磁谱的其他波段中是很难得到的．材料的研究是现代太赫兹系统中的重要的组成部分，一方面因为新的、大功率的太赫兹光源极大地依赖于如量子级联结构一类的新材料；另一方面，太赫兹的光谱和成像技术也为扩展诸如半导体和生物有机分子等材料的应用提供了一个有力的工具．     

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.     

基于石墨烯的太赫兹器件研究进展

石墨烯是一种零带隙二维的半导体材料, 具有极高的载流子迁移率, 优异的机械、电学、热学和光学等性能. 在太赫兹辐射源、调制器和探测器件的研究中, 石墨烯材料具有独特的优势. 本文以石墨烯材料在太赫兹辐射源、调制器以及探测器等器件方面的应用为主, 综述了石墨烯太赫兹器件的最新研究进展.     

Spectroscopic measurements and terahertz imaging of the cornea using a rapid scanning terahertz time domain spectrometer

Spectroscopic measurements and terahertz imaging of the cornea are carried out by using a rapid scanning terahertz time domain spectroscopy(THz-TDS) system.A voice coil motor stage based optical delay line(VCM-ODL) is developed to provide a rather simple and robust structure with both the high scanning speed and the large delay length.The developed system is used for THz spectroscopic measurements and imaging of the corneal tissue with different amounts of water content,and the measurement results show the consistence with the reported results,in which the measurement time using VCM-ODL is a factor of 360 shorter than the traditional motorized optical delay line(MDL).With reducing the water content a monotonic decrease of the complex permittivity of the cornea is observed.The two-term Debye relaxation model is employed to explain our experimental results,revealing that the fast relaxation time of a dehydrated cornea is much larger than that of a hydrated cornea and its dielectric behavior can be affected by the presence of the biological macromolecules.These results demonstrate that our THz spectrometer may be a promising candidate for tissue hydration sensing and practical application of THz technology.     

太赫兹波段表面等离子光子学研究进展

表面等离子光子学是研究金属、 半导体纳米结构材料独特的光学特性, 是目前光子学中最有吸引力、 发展最快的领域之一. 伴随着微/纳制造技术与计算机模拟技术的进步, 表面等离子光子学在可见光、 红外、 太赫兹以及微波频域得到了广泛研究, 在高灵敏生化传感、 亚波长光波导、 近场光学显微、 纳米光刻等领域有潜在的应用价值. 特别是人工超材料的发展, 为自然界长期缺乏响应太赫兹波的材料和器件奠定了基础, 从而也促进了太赫兹波段表面等离子光子学的研究. 本文从太赫兹表面等离子波的激发、 传导、 最新应用及未来发展趋势等几个方面进行了回顾和讨论, 将最新研究成果展示给读者.     

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。     

太赫兹光谱与成像在生物医学领域中的应用

太赫兹科学技术的良好发展势头已经在医药领域逐渐得到了重视与应用。与红外辐射、核磁共振、X射线、超声波等传统医疗诊断技术相比较,太赫兹电磁波技术具有低能量、高空间分辨率和宽带光谱分析能力等独特优势,从而为人体成像以及太赫兹波与人体组织相互作用研究提供了一种可靠的技术方法;由于太赫兹波的穿透性强,且指纹峰的专属性较高,能够在药物的检测与鉴别等方面发挥重要作用。基于太赫兹波段的以上优异特点,文章在介绍太赫兹光谱与成像技术在生物医学领域中的应用时,重点分析了太赫兹电磁波技术对人体皮肤组织的研究,人体的基因表述,对生物体细胞影响的研究,对癌症和骨头等组织的研究,以及对药物的研究等方面的现状和发展。基于上述的研究进展,文章介绍了太赫兹科学技术在未来的医学领域中面临的挑战,并展望了发展前景。     

太赫兹无线通信系统中的反射器研究

采用传输矩阵方法和菲涅尔公式,根据THz频段不同区域内材料折射率的特点,计算模拟了聚合体聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride,PVDF）/聚碳酸酯（polycarbonate,PC）一维光子晶体对THz波的反射作用.结果表明这种反射器在亚太赫兹频段具有较好的反射性能和较大的反射带宽.此外,根据计算结果,本文还对THz反射器的理论研究和设计进行了讨论. 关键词： 太赫兹反射器 太赫兹无线通信 一维光子晶体     

Solid state spin-flip terahertz maser

Feasibility of pumping the terahertz spin-flip maser by spin-polarized tunneling is investigated and the conditions for the population inversion and threshold current are established. At low temperatures (T < 30 K) lasing in the 50 μm range of wavelengths with an output power of the order of 1 mW is anticipated when a magnetic field of 1 T and a current density of 50 kA cm⁻²are applied.