分形蝶形天线的尖端效应研究

太赫兹天线是太赫兹探测器的关键组成部分,可以协助太赫兹探测器更加精确、更加快速地探测到太赫兹信号。主要针对所研发的分形蝶形天线尖端效应进行了深入的研究。设计了一款工作频率在0.1～2 THz之间的分形蝶形天线。该天线在0.6 THz频率下谐振,其回波损耗最小可达到-15.89 dB,最高增益为6.87 dB。所展示的谐振分形蝶形天线经过优化后,可在弓尖（尖端）产生高度增强的局域场。借助这种高度集中的能量耦合效果可以有效地提高太赫兹探测器的性能。     

腔内型光电导太赫兹辐射产生器设计

提出了在飞秒锁模钛宝石激光器腔内产生太赫兹辐射的新设计方案,并给出了太赫兹产生器件的结构参数以及器件的设计原理.新设计的器件把光电导太赫兹偶极天线发射器与飞秒钛宝石激光器的可饱和Bragg反射镜结合在一起,不仅可以提高太赫兹辐射的产生效率,而且可以使飞秒钛宝石激光器自启动锁模.     

GaAs光电导天线辐射太赫兹波功率的计算

在Larmor公式的基础上建立了适合计算光电导天线辐射太赫兹波功率的数学模型,利用此数学模型通过蒙特卡罗方法分别计算了不同实验条件下GaAs光电导天线辐射太赫兹电磁波功率.计算结果表明,增加光电导天线的偏置电场或触发光能量,都能够提高天线辐射太赫兹波功率,大孔径光电导天线能够承载更多的光生载流子,因而可以产生比小孔径光电导天线功率更高的太赫兹波. 关键词： 光电导天线 Larmor公式 太赫兹波功率     

光电导天线太赫兹辐射峰值调控研究

针对微结构光电导天线与飞秒激光之间相互作用效应以及辐射太赫兹波调控问题进行了研究。采用德鲁德-洛伦兹理论模型获得微结构光电导天线辐射光电流密度,通过时域有限差分把光电流密度迭代在激励网格上,结合麦克斯韦方程求解时变电磁场,并通过传输线格林函数获得多层介质近场到远场的辐射太赫兹波,建立了辐射光电流与辐射阻抗、电磁共振模式之间的关系模型,模拟仿真分析了微结构S型光电导天线太赫兹波辐射调控机理。研究结果表明：微结构改变了天线等效模型的辐射阻抗;同时得知耦合系数不为零时存在耦合作用,且随着耦合系数增大共振频率峰值发生辐射增强和位移;并通过设计S型光电导天线获得辐射峰值频率调整范围为0.50～0.80 THz之间,对比工形天线辐射峰值频率由原来的0.40 T移动到0.76 T,频率调整度75%,峰值辐射效率约提高70%。该研究工作为后续高功率光导天线太赫兹波辐射的共振中心频点以及结构设计奠定重要基础。     

太赫兹片上系统中低温砷化镓薄膜光电导天线的研究

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2 μm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。     

层级人工等离激元结构增强的太赫兹光电导天线（特邀）（英文）

为提高太赫兹光电导天线输出效率,提出了一种基于层级人工等离激元结构的光电导天线的设计方法。层级人工等离激元结构由纳米尺度金属块阵列和微米尺度周期栅格结合而成,理论与仿真结果表明,前者通过人工局域表面等离激元谐振效应可提高光子-电子转换效率,后者则利用人工表面等离激元结构基模的禁带和高阶模式与电流源模式之间的正交性增强了光电导天线的垂直方向性。集成了层级人工等离激元结构的光电导天线结合了两种结构的优点,数值计算结果表明,其输出效率优于分别采用两种结构的方案。相较于未改进的光电导天线,层级人工等离激元结构在较宽频带范围内（0.86～1.51 THz）实现了光电导天线垂直方向辐射功率密度的提高。     

Resonance properties of THz plasmonic dipole-bowtie antenna array: The critical role of the substrate

Subwavelength arrays of dipole-bowtie antennas are designed and characterized using terahertz time-domain spectroscopy（THz-TDS） and finite element method（FEM） simulations. Two different substrates, silicon and mylar with an order of magnitude difference between their thickness values are used to study the resonance properties of the antennas.The 640-μm thick silicon substrate supports a sharper fundamental mode resonance. We discover that higher-order Fabry–Perot resonances can be excited only in 24-μm thin mylar substrates and show much higher sensitivity to dielectric changes in the environment and the geometrical parameters of the antennas than the fundamental dipole resonance.     

中国工程物理研究院FEL-THz束线从头至尾模拟设计(英文)

中国工程物理研究院正在开展自由电子激光太赫兹源(FEL-THz)的研究。介绍了中物院FEL-THz束线的设计,通过PARMELA和TRANSPORT等程序优化了束线参数,并通过IMPACT-T和ELEGANT程序核对了模拟结果。优化结果表明,电子束在摇摆器入口处能量7～8MeV、平均电流5mA、横向归一化发射度小于10mm·mrad,满足设计要求。     

太赫兹GaAs肖特基混频二极管高频特性分析

在太赫兹波段,存在几种新的高频效应会限制混频二极管的高频特性.应用热电子发射理论和隧道理论,研究了外延层肖特基二极管的高频特性,并以截止频率为品质因数对二极管进行优化设计.研究表明,当二极管工作频率大于等离子频率时,二极管相当于一个电容,失去了混频性能;提高基底掺杂浓度可以减小基底等离子共振效应;外延层等离子频率非常重要并且在研究外延层等离子共振效应时必须考虑传输时间效应;减小阳极直径、减小外延层厚度、提高外延层掺杂浓度可以提高二极管的工作频率.这对太赫兹波段室温混频器件的研制具有重要的参考价值.     

三路太赫兹光导天线的功率合成技术

针对单个光导天线功率容量有限的问题,采用光导天线功率合成技术研究高功率、超宽带的太赫兹辐射方法。通过构建三路光导天线功率合成系统,以500μm孔径的偶极子光导天线为对象,进行了功率合成技术研究。结果表明:当三路500μm孔径的偶极子光导天线产生太赫兹的光程差一致时,合成后的时域光谱峰值最大,时域相干度达90.6%,提高了太赫兹输出的功率。     

Characterization of the radiation from single-walled zig-zag carbon nanotubes at terahertz range

This paper investigates the radiation characteristics of metal single-walled zig-zag carbon nanotubes as a dipole antenna at terahertz wave range. The current distribution, input impedance and mutual impedance are calculated for various geometrical parameters of vertically-aligned carbon nanotubes. The numerical results demonstrate the properties of the antenna depending strongly on the geometrical parameters such as the radius, the lengths of carbon nantobues, and the spacing between nanotubes. It is found that the zig-zag carbon nanotubes exhibit very high input impedance and the mutual impedances for antenna array applications. These unique high impedance properties are different from the conventional metal thin wire antenna. The far-field patterns and gain of antenna array are also calculated. The maximum gain of array of 100-element array is up to 20.0~dB, which is larger than the gain of 0.598~dB of single dipole antenna at distance d = 0.5\lambda .     

时间延迟对偶极子光导天线空间功率合成影响分析

对偶极子光导天线空间功率合成中时间延迟的影响进行了分析。利用太赫兹时域光谱技术分别获取了34, 500, 1000 m偶极子光导天线的太赫兹时域光谱。采用数值模拟方法分析时间延迟对空间功率合成的影响。结果发现:在满足空间功率合成时域相干度60%的条件下,两个34, 500, 1000 m偶极子光导天线阵列的相对最大时间延迟分别为350.7, 467.6, 450.9 fs;三个34, 500, 1000 m偶极子光导天线阵列的相对最大时间延迟分别为191.1, 250.5, 267.2 fs;四个34, 500, 1000 m偶极子光导天线阵列的相对最大时间延迟分别为167, 200.4, 217.1 fs。试验结果表明,空间功率合成数值模拟仿真能为偶极子光导天线阵列的物理实验提供重要依据。     

Generation of coherent terahertz radiation by photomixing of dual-mode lasers

We have reviewed and discussed the generation of continuous-wave terahertz radiation by the photomixing of dual-mode lasers, which includes a multi-mode laser diode (LD), a dual-mode microchip laser, a monolithic dual-mode DBR LD, and a widely tunable dual-mode external cavity LD. It is demonstrated by several experiments that the beat frequency of a dual-mode laser is more stable than the original laser modes because of the common-mode rejection effect. We also suggest a novel scheme by which the optical beat is stabilized to less than 1 kHz and its frequency can be precisely determined as well.     

时间延迟对偶极子光导天线空间功率合成影响分析

对偶极子光导天线空间功率合成中时间延迟的影响进行了分析。利用太赫兹时域光谱技术分别获取了34, 500, 1000 m偶极子光导天线的太赫兹时域光谱。采用数值模拟方法分析时间延迟对空间功率合成的影响。结果发现:在满足空间功率合成时域相干度60%的条件下,两个34, 500, 1000 m偶极子光导天线阵列的相对最大时间延迟分别为350.7, 467.6, 450.9 fs;三个34, 500, 1000 m偶极子光导天线阵列的相对最大时间延迟分别为191.1, 250.5, 267.2 fs;四个34, 500, 1000 m偶极子光导天线阵列的相对最大时间延迟分别为167, 200.4, 217.1 fs。试验结果表明,空间功率合成数值模拟仿真能为偶极子光导天线阵列的物理实验提供重要依据。     

银纳米圆盘光天线的远场方向性研究

采用时域有限差分方法计算了银纳米圆盘光天线模型的场分布,研究了光偶极天线的远场辐射特性随距离和厚度、半径变化的规律以及影响其远场方向性的因素. 研究发现,偶极子垂直放置在银纳米圆盘下方一定距离时,银盘厚度和半径的改变均可使方向性图中出现新的辐射模式,同时方向性增益得到增强.通过对其近场的观察和分析可以得知,新的辐射模式的产生来源于高阶模式的局域表面等离激元. 结果表明,背景材料为GaN时,产生高阶模式局域表面等离激元的合适条件为电偶极子距银盘底部40 nm. 另外,为了有效地支持高阶模式局域表面等离激元的形成,银盘厚度与半径最小分别为30 nm和100 nm. 本文的研究对掌握纳米银盘结构的光天线特性及其在光器件中的运用有重要意义.     

银纳米圆盘光天线的远场方向性研究

采用时域有限差分方法计算了银纳米圆盘光天线模型的场分布,研究了光偶极天线的远场辐射特性随距离和厚度、半径变化的规律以及影响其远场方向性的因素.研究发现,偶极子垂直放置在银纳米圆盘下方一定距离时,银盘厚度和半径的改变均可使方向性图中出现新的辐射模式,同时方向性增益得到增强.通过对其近场的观察和分析可以得知,新的辐射模式的产生来源于高阶模式的局域表面等离激元.结果表明,背景材料为GaN时,产生高阶模式局域表面等离激元的合适条件为电偶极子距银盘底部40nm.另外,为了有效地支持高阶模式局域表面等离激元的形成,银盘厚度与半径最小分别为30nm和100nm.本文的研究对掌握纳米银盘结构的光天线特性及其在光器件中的运用有重要意义.     

A Novel Feeding Scheme for Bandwidth Enhancement of Suspended Planar Antenna

A suspended planar antenna with a novel feeding structure is proposed for bandwidth enhancement. This feeding structure can provide extra degrees of freedom to tune the antenna for compensating for the large inductance induced by the long feeding probe. An impedance bandwidth of 56% for VSWR<2 is obtained. Simulated and measured results are compared and good agreements are observed.