飞秒激光触发光电导天线产生太赫兹波技术

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研究了光电导天线产生太赫兹波的辐射特性，利用麦克斯韦方程及其边界条件，计算了近远场的电场强度；采用电磁波时域有限差分方法(FDTD)，在Matlab系统软件中，用C语言编写程序计算光电导偶极天线的辐射太赫兹波的空间电磁场分布，并在计算机上以伪彩色图形显示，这种电磁场的可视化结果为天线的设计和改进提供了直观的物理依据。

　　太赫兹波是指波长范围为3μm～3mm(011～10THz)之间的电磁辐射，其波段位于微波和红外光之间。随着超快激光技术和低尺度半导体技术的发展，使THz电磁波的产生技术，THz辐射机理的研究，THz检测技术和应用技术得到迅速的发展。目前，产生脉冲THz辐射的方法主要有两种：光电导天线产生THz电磁波和光整流产生THz。前者是利用飞秒激光脉冲触发直流偏置下的光电导体，通过相干电流驱动偶极天线产生太赫兹辐射；光整流是一种非线性效应，是用飞秒激光脉冲和非线性介质(LiNbO3，LiTaO3，ZnTe等)相互作用产生低频极化场也可以辐射出THz电磁波。近年来，国内外有不少关于光电导天线产生THz电磁波的文献报道。Darrow等对光电导天线产生太赫兹波的理论进行了详细的解释，并且对砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)作为光电导天线的基质材料产生太赫兹辐射进行了对比。Hattori等研究了大孔径光电导天线产生太赫兹波的时间特性，考虑了半导体载流子寿命和弛豫时间对太赫兹辐射的影响。大孔径光电导天线在强激光脉冲的照射下会产生饱和现象，Darrow等等分别进行了理论模拟，得出了半导体表面的辐射电场对偏置电场的屏蔽效应是产生饱和现象的主要原因。施卫等对半绝缘砷化镓(GaAs)天线产生太赫兹波的辐射特性进行了相关研究。

　　在国内外研究的基础上，对光电导天线产生太赫兹波的微观机制进行理论分析和计算，用麦克斯韦方程及其边界条件计算了光电导体的表面电流和近远场的辐射电场，通过计算可以看出近场条件下太赫兹波的辐射强度正比于表面电流，远场条件下太赫兹波的辐射强度正比于触发光脉冲的宽度、功率和偏置电场的强度。对于理论分析的结果，采用时域有限差分方法(FDTD)计算了光电导天线的辐射特性。
1光电导偶极天线结构和理论分析

　　1.1光电导偶极天线结构

　　半绝缘GaAs材料具有优良的光电性能，是制作光电·材料肖健，等：飞秒激光触发光电导天线产生太赫兹波的研究光电导天线很理想的基底材料GaAs材料的电阻率可以达到10^7～10^8，击穿强度为250kV/cm；文中以半绝缘GaAs材料制成光电导偶极天线的芯片材料为例，介绍了光电导天线的结构和尺寸参数，给出直观的示意图。半绝缘GaAs材料暗态电阻率ρ=5×107Ωcm，载流子的浓度为n≈1014cm-3，载流子的迁移率为μ>5500cm2/(Vs)，芯片的厚度为016mm，外形尺寸为610mm×910mm；用电子束蒸渡工艺淀积厚度为900nm的Au/Ge/Ni合金电极(条形天线)，经过退火处理与GaAs芯片材料形成欧姆接触，电极尺寸为6mm×3mm，圆角半径为111mm，两电极间隙为3mm；绝缘保护层采用Si3N4薄膜材料，其结构如图1所示。