基于飞秒激光激励半导体材料的太赫兹源与探测技术

【摘要】：太赫兹源与探测技术是太赫兹研究领域中最重要的部分,其中基于超快光脉冲激励半导体方式的太赫兹源与探测系统,由于其重要的研究及应用价值而受到广泛关注。本论文着重于研究超快激光激励半导体产生太赫兹辐射这一现象背后所蕴藏的物理机制,通过建立模型,利用解析、数值计算等手段获得太赫兹辐射强度的数学表达式,探讨影响太赫兹源发射效率以及太赫兹探测系统探测性能的各物理因素,最终获得提高太赫兹源效率与优化探测系统性能的方法。具体研究内容如下： (1)利用drude-Lorentz模型描述半导体内光生载流子在内建电场与外部磁场作用下的运动以及利用电偶极矩辐射模型得到了基于半导体表面电场驱动光生电流产生太赫兹辐射的太赫兹电场表达式,研究了半导体外加磁场引起的太赫兹辐射增强现象,并通过计算模拟得到了外磁场的变化对太赫兹辐射的影响,给出了增强效率最高时,外加磁场的状态。另外还对比了几种常用半导体的太赫兹辐射效率和外磁场的增强因子。 (2)研究了基于光学整流非线性效应的太赫兹辐射源,通过理论推导和计算得到了太赫兹辐射场与泵浦光电场偏振方向、晶体表面晶向、晶体方位角之间的函数关系表达式。分别讨论了泵浦光正入射,斜入射情况下的太赫兹辐射场极值问题,通过软件绘图我们直观地对比了不同条件下的太赫兹辐射场状态,得到了使太赫兹辐射强度最大时,各参数应该满足的条件。 (3)研究了太赫兹电光取样探测系统中的平衡探测方法,获得了探测信号与探测光偏振方向、电光晶体表面晶向,晶体方位角之间的函数关系表达式,给出了探测信号最优时,各参数应该满足的条件。结合前面光整流太赫兹源内容研究了太赫兹收发器(terahertz transceiver)中电光晶体的晶面取向问题,给出了最优晶向。 (4)研究了晶体内非线性过程中由于色散引起的相位失配问题,分别讨论了非线性晶体作为太赫兹发射晶体以及作为太赫兹探测晶体时,相位失配效应带来的影响。首先横光学声子振动频率限制了太赫兹发射与探测的频谱宽度,其次由于光在晶体中的色散,相位失配将不可避免,晶体厚度的增大将面临非线性过程作用长度的增加及相位失配问题在频带上的扩展这一对矛盾体。我们通过模拟计算获得了不同晶体、不同晶体厚度、不同泵浦光脉宽条件下的太赫兹发射频谱和探测频谱,通过对这些频谱的对比分析,我们总结了选择非线性晶体以及晶体厚度的依据。