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高温超导太赫兹辐射源的研究

李梦月  
【摘要】:太赫兹(THz)辐射是指频率从1011Hz到1013Hz的电磁波。相对于其它频段的电磁波,太赫兹波具有许多特有的性质,使得其在天文、生物、计算机、通信等科学领域有着广泛的应用前景。因此太赫兹技术吸引了越来越多研究人员的关注。早期由于缺乏有效的产生和探测太赫兹的方法,特别是缺乏能够提供相干、窄带、高功率的连续波太赫兹固态源,使得太赫兹的发展非常缓慢。我们利用高温超导Bi_2Sr_2CaCu_2O_8(BSCCO)本征约瑟夫森结阵列产生连续可调的太赫兹信号,为太赫兹应用提供了一种新型的固态太赫兹源。 基于BSCCO本征约瑟夫森结的太赫兹辐射源具有以下优点:(1)辐射的信号频率集中在太赫兹中低频部分,覆盖了已有太赫兹源还未完全覆盖的低频段;(2)约瑟夫森结可以将直流电压偏置转换为高频电磁振荡,当单个结工作在电阻态时,1mV的直流电压降对应频率约为484GHz的高频信号;(3)BSCCO且有超导-绝缘周期层状结构,每个单元的性质基本一致,因此高质量的BSCCO单晶是天然的约瑟夫森结阵,是制备太赫兹辐射源的理想材料;(3)BSCCO的能隙电压为几十毫伏,基于BSCCO的约瑟夫森结的工作频率为10THz以上,远高于低温超导材料,例如Nb结约为700GHz。 本论文旨在探索使用BSCCO本征约瑟夫森结制备太赫兹固态辐射源,对其辐射特性进行研究,并应用于具体实例中。论文的主要内容包括以下五个方面: 第一,介绍了高温超导BSCCO本征约瑟夫森太赫兹辐射源的基本制备工艺、电传输特性和太赫兹辐射特性的测量,包括:(1)平台(mesa)和双面结结构的器件制备工艺;(2)辐射源电流—电压关系,电阻—温度关系,偏置—辐射关系等测量系统的搭建和测试方法。 第二,研究了mesa结构的太赫兹辐射源的特性,包括太赫兹辐射功率、频率与环境温度和结的数量的关系等。 第三,研究了两个独立mesa功率相干合成的可能性。通过对比单个mesa和串联mesa两种情况下的太赫兹辐射信号的频率和功率,并利用有限元法仿真辐射源的自热效应,系统分析了串联测量时mesa之间的相互影响。 第四,研究了高温超导BSCCO太赫兹固态辐射源的线宽特性。利用高灵敏度的超导接收机对太赫兹辐射进行测量,得到了高分辨率的辐射频谱。对比了“高偏”和“低偏”时太赫兹辐射的频谱线宽,并利用"hot spot"理论解释了在“高偏”时频谱线宽的变化原因。此外,研究并讨论了“高偏”区域频谱线宽与环境温度的关系。 第五,探索了BSCCO太赫兹辐射源的应用实例,其中包括太赫兹成像技术和太赫兹气体检测技术。


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