高功率太赫兹脉冲半导体探测器的分析与设计

设计了一种基于半导体热电子效应的0.14 THz高功率脉冲探测器.首先根据探测器的结构特点,分析了探测器的工作原理,并推导了探测器的相对灵敏度表达式.接着采用三维电磁场时域有限差分法,模拟计算了探测器的电压驻波比和线性区的相对灵敏度.在优化的结构参数下,探测器在0.14 THz波段的电压驻波比不大于1.3,相对灵敏度约为0.6 kW^-1,且在0.13—0.16 THz频带内波动不超过10%.然后讨论了焦耳热效应对探测器的影响,考察了太赫兹脉冲宽度与输出电压变化率的关系.最后对探测器的 关键词： 高功率太赫兹脉冲 探测器 热电子 灵敏度     

过模矩形波导中硅芯片与基模亚毫米波的作用

模拟研究了过模矩形波导WR10中n型硅探测芯片对TE10模亚毫米波的响应。针对过模波导WR10中内置n型硅芯片的亚毫米波探测结构,推导了基模工作时的灵敏度表达式。采用三维电磁场时域有限差分方法,模拟计算了过模波导中300～400GHz频带的TE10模亚毫米波与硅芯片的相互作用,分析了探测结构中电压驻波比和芯片内平均电场随硅芯片参数变化的规律。结果表明,在相同的芯片参数下,过模探测结构并不影响电压驻波比和芯片内平均电场的大小,但两者随频率变化的波动程度增大。在300～400GHz工作频带内,优化得到了性能较优的过模探测结构,其电压驻波比不大于2.75(335～380GHz频带内不大于1.8),线性工作区的相对灵敏度约为0.127kW-1,频率响应的波动范围在±20.5%内,最大承受功率约为0.53kW,响应时间为100ps量级,满足亚毫米波大功率脉冲的直接探测需求。     

0.14 THz高功率太赫兹脉冲的参数测量

给出了0.14 THz高功率单次脉冲信号的频率和功率的测量方法及实验结果。针对高功率太赫兹脉冲频率高、峰值功率高和脉宽短的特点,实验中采用了截止波导滤波法与谐波混频法相结合的方式准确测定了脉冲信号频率,利用辐射场功率密度积分法获取了辐射脉冲的远场功率分布,并给出了单次脉冲的辐射功率。某实验条件下的测量结果表明,0.14 THz高功率太赫兹脉冲的频率为0.146 3 THz,脉宽约为1.5 ns,功率不小于0.5 MW。     

高功率脉冲氙灯中的等离子体放电通道

研究了高功率脉冲氙灯放电过程中等离子体通道的演化规律。分析了充电电压、主脉冲脉宽及主预脉冲时间间隔等对等离子体通道的影响规律。实验过程中在脉冲氙灯接地端子附近观察到了明显的等离子体通道分叉现象。研究发现,脉冲氙灯工作环境中的电场分布对氙灯内等离子体通道的形成与演化特性将产生十分重要的影响,其决定了等离子体通道的形态。其他影响因素则通过改变放电通道的亮度、均匀度与充盈度等特征施加其影响。     

基于Rydberg原子天线的太赫兹测量

Rydberg原子在微波和太赫兹频段具有极大的电偶极矩,利用量子干涉效应可实现对该频段电磁波场强的高灵敏探测,理论上灵敏度可达到远高于现有探测技术的水平.基于Rydberg原子量子效应的电磁场探测及精密测量技术在太赫兹的场强和功率计量、太赫兹通信和太赫兹成像等方面有着巨大的应用前景.本文回顾了基于Rydberg原子量子干涉效应实现电磁波电场自校准和可溯源测量的基本理论和实验技术,详细介绍了基于Rydberg原子的高灵敏太赫兹场强测量、太赫兹近场高速成像和太赫兹数字通信的基本原理和技术方案.最后简单介绍了本研究团队正在开展的基于Rydberg原子的太赫兹探测工作.     

半绝缘GaAs光电导开关产生太赫兹波电场屏蔽效应的二维Monte Carlo模拟

利用Ensemble-Monte Carlo模拟方法，对不同实验条件下半绝缘GaAs(SI-GaAs)光电导开关作为偶极辐射天线在辐射太赫兹电磁波(太赫兹波)中体内电场的分布以及空间电荷屏蔽效应对太赫兹波辐射的影响进行了模拟.载流子的时域空间电场分布表明:用高能量激光脉冲触发低压偏置的GaAs开关，空间电荷屏蔽是限制太赫兹波辐射功率的一个重要因素，并且空间电荷屏蔽能够引起太赫兹波呈现双极性.当高能量飞秒激光脉冲以全电极间隙触发大孔径光电导天线时，空间电荷电场屏蔽效应对太赫兹波的影响不大. 关键词： 光电导开关 Ensemble-Monte Carlo模拟 辐射场屏蔽 空间电荷屏蔽     

太赫兹波频域的GaAs材料特性

利用返波振荡器(BWO)系统对不同电阻率的GaAs在太赫兹波段的透射谱进行了测试,并对太赫兹波透射谱进行了计算和分析,得到不同电阻率的GaAs材料在太赫兹波0.23～0.375 THz波段范围的折射率、吸收系数和介电常数实部和虚部等光学特性参数。实验结果表明,不同电阻率的GaAs在整个测试太赫兹波频段内的折射率,吸收系数,介电常数实部和虚部均随着电阻率的增加而增加。高电阻率的GaAs材料对太赫兹波的吸收很小,其最小吸收系数可达到3.87×10-4 cm-1。同时也表明采用返波振荡器系统研究分析GaAs在太赫兹波段特性是可行的。研究不同电阻率的GaAs在太赫兹波段的光学特性,对设计高效率太赫兹波天线具有重要意义。     

圆波导硅探测结构对X波段电磁波模式的响应

采用数值模拟和理论分析方法,研究了圆波导内置n-Si探测结构对X波段几种常用电磁波模式的电场响应。首先基于强电场下的热载流子效应,设计了一种利用n-Si进行高功率脉冲实时测量的圆波导探测结构。接着采用三维并行电磁场时域有限差分方法,模拟研究并分析了TE11(两种极化方向)、TM01和TE01模式作用下圆波导探测结构内的横向电场分布特点。结果表明:不同模式下探测芯片内的横向电场均以径向电场为主,径向和角向电场幅度比约为10,而芯片在圆波导内引入的横向电场驻波比均不大于1.3。最后推导了圆波导探测结构在不同模式电场作用下的灵敏度表达式,理论分析指出了探测结构的最大承受功率与圆波导模式有关,最高可达422MW,响应时间则均为ps量级,初步证实了该探测结构可用于X波段百MW级脉冲波源在线探测的可行性。     

0.14THz高功率太赫兹脉冲的频率测量

提出了采用截止波导法与谐波混频法相结合的方式,进行0.14THz高功率短脉冲的频率测量.首先将两个截止频率分别为0.125和0.15THz的非标准矩形波导作为接收端,通过截止波导滤波法获得了太赫兹辐射源的频率范围.然后根据已知的频率范围,将本振频率选择为15—20GHz,则谐波混频的谐波次数确定为8.随后的Ka波段的脉冲测试和0.14THz连续波测试表明,该8次谐波混频器可用于0.14THz脉冲的混频测量.最后,0.14THz脉冲频率测量实验给出了太赫兹辐射源的准确频率为0.1465THz.该方法大大降低了对本振信号的频率要求,且结果准确可信,为长波段太赫兹脉冲的频率测量提供了一种新的思路.     

磷化镓高功率太赫兹共线差频源的研究

在众多实现太赫兹辐射的方法中, 非线性光学共线差频能够实现高功率、宽波段、连续可调谐的太赫兹波辐射. 理论分析表明, 各向同性磷化镓晶体, 在1064 nm附近波长激光共线差频下具有毫米量级的相干长度, 能够满足高功率宽波段的太赫兹辐射条件.实验证明, 磷化镓晶体共线差频实现高功率宽波段的太赫兹光辐射, 其太赫兹光波长调谐范围为95.9–773.4 μm (0.39–3.13 THz), 最高峰值功率7 W位于频率2.0 THz处.该实验结果与理论计算基本保持一致. 关键词： 太赫兹源 磷化镓 共线差频     

Optical rectification of highly focused near-IR pulses in the plasmon waveguide

Generation of terahertz pulses via mixing the Fourier harmonics of strongly focused near-IR pumping laser pulses in a plasmon waveguide filled with a nonlinear medium is considered. At a certain choice of its parameters, this waveguide provides efficient transverse confinement of the terahertz mode and a low dispersion of its refractive index. As a result, the system becomes capable of generating short fairly intense terahertz pulses. Such an approach significantly (by a factor of 50) decreases the pump power compared with that in the conventional (waveguide-free) schemes, which generate terahertz pulses from single pumping pulses (optical rectification), and still yields the same intensity of the output terahertz pulse and conversion efficiency. For the Ag-GaP-Ag structure taken as an example, optimal parameters of the plasmon waveguide and pumping pulse are found and characteristics of the output terahertz pulse are calculated.     

L波段大功率全带宽波导盒型窗

 由于鬼模振荡的存在,普通波导盒型窗很难获得宽频带输出,其相对带宽一般只有20%～30%。提出一种新的适用于大功率螺旋线行波管非对称全带宽波导盒型窗设计思路,通过３维电磁仿真设计与优化,获得了L波段相对带宽达41.4%盒型窗结构设计参数,且频带内无鬼模振荡,考虑匹配过渡段后整个盒型窗驻波系数模拟计算小于1.1。采用此功率输出结构研制的S波段大功率行波管连续波输出功率达3 kW以上,整管实测驻波系数小于1.6。     

同轴转弯波导的设计与实验研究

提出了一种同轴转弯波导。介绍了该同轴转弯波导的基本原理,设计并数值模拟了中心频率为4.0 GHz的同轴转弯波导,并对此同轴转弯波导进行了实验研究。实验结果表明:同轴转弯波导在中心频率4.0 GHz下,传输损耗约为0.17 dB,驻波系数为1.2;在3.8~4.2 GHz的频率范围内传输损耗小于0.2 dB,驻波系数小于1.25。同轴转弯波导内部无介质支撑,且体积小,结构简单,易于实现,适用于高功率微波馈线系统中的同轴波导的转弯和连接。     

亚毫米波大功率脉冲探测器的初步研制

初步研制了一种用于300~400GHz频段的亚毫米波大功率脉冲探测器。基于强电场下的热电子效应,将n型硅探测芯片置入波导WR10的宽边,构成了探测器的过模探测模块。采用光刻和电镀工艺完成了探测芯片的加工,实现了很好的欧姆接触和尺寸精度。对集成的探测器样机进行了亚毫米波大功率脉冲测试和电压驻波比测量。结果表明:探测器样机的响应时间快达ps量级,相对灵敏度约为0.46kW-1,电压驻波比小于2.4,最大承受功率不小于数十W,与模拟结果符合得较好,满足亚毫米波大功率脉冲的直接探测需求。     

双共焦波导结构二次谐波太赫兹回旋管谐振腔设计

准光共焦波导具有功率容量大、模式密度低的特点,能够有效地减少模式竞争对回旋管互作用的影响,有利于高次谐波太赫兹回旋管的设计.为提高太赫兹准光回旋管的互作用效率,在共焦柱面波导的基础上,研究了一种新型高频互作用结构——双共焦波导结构,设计了一种330 GHz二次谐波双共焦结构回旋管谐振腔并对其进行了理论分析和粒子模拟.研究结果表明,双共焦谐振腔中的高阶模式能够与高次电子回旋谐波发生稳定的相互作用,并且没有模式竞争现象,具备工作在太赫兹波段的潜力.相比普通共焦波导谐振腔,双共焦谐振腔能够增强准光回旋管的注波互作用强度,提高回旋管的输出功率和工作效率.此外,结果还表明双共焦波导中的电磁波模式是一种由两个独立的共焦波导模式叠加而成的混合模式.利用这种混合模式有望实现太赫兹回旋管的单注双频工作,为新型太赫兹辐射源的研究提供了新的途径.     

一种新型高功率微波探测器

 叙述了基于P型硅半导体中的热载流子效应研制成功的一种单脉冲高功率微波探测器。这种高功率微波探测器具有承受微波功率高(比普通检波器高近六个量级)、时间响应快(响应时间小于2.0ns)等特点。探测器由P型硅传感单元和标准波导组成,其工作频率范围为波导的工作频率范围,根据不同需求可以在3.0GHz至30GHz的频率范围内制作成多种不同型号的探测器。也给出了工作在X波段的这种探测器的标定方法和标定结果,标定结果表明探测器的输出信号幅度正比于注入微波功率,输出电压值可达10V。该探测器很适合于高功率微波峰值功率测量,尤其在电磁干扰环境中具有优势,为解决目前高功率微波功率测量不准的技术难题提供了一种有效的技术手段。     

等离子体辅助平板波导的传输特性及应用研究

如何灵活地控制和操纵太赫波是目前研究的热点. 根据电磁波传输理论, 导出了等离子体辅助平板波导的场分布和色散关系表达式, 计算了其传输特性, 并通过全波仿真进行了证实. 结果表明, 等离子体辅助平板波导具有带阻特性, 上边带截止频率等于等离子体频率, 等离子体层越薄, 下边带截止频率越高, 带宽越窄; 阻带内存在两种不同的物理机理, 一种与等离子体和中间媒质的谐振耦合有关, 另一种与表面波的形成有关. 此外, 本文还研究了等离子体频率及碰撞频率对传输特性的影响, 提出了通过改变等离子体频率调谐平板波导滤波器特性的方法. 同时, 采用褶皱金属结构实现了等离子体层, 设计了平板波导传感模型, 通过改变凹槽内的材料的介电常数仿真了其传感特性, 结果表明当材料的介电常数变化0.1%时, 平均截止频率变化1.8 GHz; 通过检测截止频率的变化, 传感器能明显分辨氮、汽油、液态石蜡、甘油和水, 证实了其优良的太赫传感特性. 这项工作对研究太赫波的传输及太赫器件的设计和制备具有指导意义.