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太赫兹量子级联激光器自混合干涉技术研究

徐赵龙  
【摘要】:太赫兹(THz)波的电磁频谱位于毫米波和红外之间,频谱范围为0.1THz到10THz,与两者相比有着很多独特性质,在安全检查、物质检测等领域有着广阔的应用前景。但是长期以来,由于太赫兹源的输出功率低、体积大、造价昂贵,使得太赫兹应用技术的发展受到了限制。近年来随着半导体能带工程和纳米结构加工工艺的发展,太赫兹量子级联激光器(THz-QCL)应运而生。与其他太赫兹波段的激光器相比,THz-QCL的功率高、体积小、工作稳定,为太赫兹波段的广泛应用奠定了基础。现有太赫兹波段的应用中对太赫兹波的探测主要还是依靠各种类型的探测器,探测器的精度和灵敏度受温度、湿度等条件的影响较大,这不仅增大了信号探测的误差,而且也增加了应用成本。在激光自混合干涉效应光路中,激光器既是辐射源又是探测器,降低了由于探测器引起的误差,同时实验成本和光路复杂度也大幅减小,而且THz-QCL相比于其他激光器有着皮秒级的载流子弛豫时间和较小的线宽增强因子,使其动力学特性在光反馈情况下更加稳定,因此更适合激光自混合干涉效应。本文基于自混合干涉效应开展了 THz-QCL在探测方面的相关研究,主要工作如下:(1)利用自混合干涉效应对不同驱动电流下THz-QCL的频谱进行了测量。实验结果显示,随着电流的增加THz-QCL的频率随之减小,与理论相符。当驱动电流增加到0.7A时,激光器的工作模式由单模变为多模,模式间距为2GHz,与计算结果一致。为验证测量结果的准确性,又利用自建的仿真模型对实验数据进行了误差分析,分析结果显示,利用该方法测量的激光器频率误差在MHz级别,与实验系统1.5GHz的频谱分辨率相比,对结果的影响较小。(2)设计了基于THz-QCL自混合干涉效应的速度测量实验。实验中分别测量了单目标和多目标的运动速度,实验结果显示该方法对速度测量的误差较小,并且物体运动速度越快,精度越高,物体运动速度为30mm/s时,误差仅为0.008%。对于多目标运动情况,不仅能准确测量其运动速度,还能够从信号中确定物体之间的相对运动方向。(3)利用THz-QCL自混合技术设计了一套二维成像系统,并利用该系统对一角硬币局部进行了逐点扫描成像,获得了一张像素为100pix×100pix、像素间距为100μm的清晰图像。实验结果表明基于THz-QCL自混合干涉效应的成像技术能够实现对物体的高分辨率成像,与之前的太赫兹成像系统相比,该成像系统的光路复杂度低,准直性更高。最后对本文进行了总结,提出了 THz-QCL自混合干涉在应用中需要进一步解决的问题。


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