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太赫兹电磁辐射增强特性的理论研究

马海江  
【摘要】:太赫兹波段在电磁波谱中位于毫米波和红外光之间,该频段的电磁辐射具有丰富的独特性质,在物体成像、医疗诊断、环境检测、射电天文、宽带移动通信等领域内有广阔的应用前景。然而,由于缺乏一种有效的高功率太赫兹辐射源,限制了太赫兹波在科学界实验研究应用以及在产业界大规模广泛应用。因此,对太赫兹电磁辐射进行增强特性的理论研究,期望得到高功率的太赫兹波,具有非常丰富的科学价值和重大的实际意义。 当前,国际同行们研究磁场对半导体表面太赫兹发射器的增强作用主要集中在实验研究上,至今仍缺乏一套完善的、可解释多种实验现象的理论。 本课题首先从Drude-Lorentz模型切入,分析飞秒激光脉冲激励半导体表面后产生的光生载流子在耗尽区内建电场和外加磁场共同作用下的运动规律,分析了光生载流子加速运动形成的瞬态光电流产生的太赫兹电磁辐射。分别在两个一维方向上和三个二维平面内任意方向上的外加磁场作用下,推导出太赫兹电磁辐射TE模分量和TM模分量的电场、功率以及辐射功率增强因子的解析表达式。 从这些解析表达式出发,本文详细地讨论和分析了激光脉冲入射角、磁场方向和磁场强度、温度以及半导体材料特性对太赫兹电磁辐射增强特性的影响。经过分析比较主要得出结论:用来产生太赫兹辐射的几种常见半导体材料中,InSb和InAs具有很好的应用前景;100K低温下,InSb在磁场强度为0.2T左右达到饱和后的辐射功率,比室温下没有磁场作用时要增强至少两个数量级、甚至更多。 此外,还有以下几个结论:1)当激光脉冲入射角在布鲁斯特角附近时,磁场增强后的太赫兹波中TM模分量功率达到最大值;2)当外加磁场较小时,太赫兹辐射功率随磁场增大成二次方增强关系,磁场增大到一定时候,辐射功率会出现饱和现象;3)太赫兹辐射的饱和功率增强因子、以及达到饱和时的磁场强度,与外加磁场的方向有关;4)降低温度,辐射功率饱和得更快,在较低磁场强度时就能实现饱和;5)电子有效质量较小、电子迁移率较大的半导体材料产生的太赫兹辐射功率饱和得较快,饱和功率增强因子较高。


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