（光学专业论文）不同组分和掺杂的zncdte110单晶的thz辐射特性研究.pdf

摘要 f 近十几年来，超怯邀堂蕉盔的迅速发展为t h z 辐射的产生提供了稳定、可 靠南激发光源，使t h z 辐射的研究得到了蓬勃发展。物质在整t h z 波段的光谱 包含着丰富的物理和化学信息，因此t h z 技术在很多基础研究领域、工业及军 事等领域有很重要的应用。 在t h z 辐射成像和光谱分析实验中，如何有效地产生和探测t h z 脉冲具有 非常重要的意义。国际上，许多科学家对大量电光晶体产生和探测t h z 辐射进 ，亍了研究，发现z n t e 电光晶体作为t h z 脉冲产生和探测材料，其总体性能优于 其他电光晶体，目前在t h z 辐射实验中应用得最广泛。为了进一步认识z n t e 晶 体产生t h z 辐射的效率与材料特性的关系，刘凯等人研究了不同组分、不同掺 杂的z n l x c d x t e ( u 0 ) 单晶( x = o 0 4 ) 产生t n z 麟- ，并从晶体的质量 阳晶体的直流电阻率出发解释了他们的实验结果本论文中，我们利用t h z 时 域光谱系统对不同组分、不同掺杂的z n l - x c d x t e 单晶( x = 0 02 5 ) 作为 f h z 辐射材料的性能和型缮瞳应进行了研究，发现晶体对t h z 辐射的吸收和晶 体的相位匹配是影响晶体产生t h z 辐射效率的重要因素。 在国内，我们首次利用t h z 时域光谱系统研究了晶体的t h z 谱性质，通过 实验说明我们已经能够利用t h z 时域光谱系统对物质进行分析。在国际上，我 们首次用实验研究了不同组分、不同掺杂的z n l x c d x t e 单晶( x = o - o2 5 ) 对t h z 辐射的吸收情况和它们产生t h z 辐射的相位匹配情况，并首次从晶体对 t h z 辐射的吸收和晶体的相位匹配角度解释了这些晶体产生t h z 辐射效率不同 的原因。本论文的实验结果对于进一步提高晶体产生t h z 辐射的效率、改善t h z 时域光谱系统和t h z 辐射成像系统的信噪比、提高t h z 时域光谱系统的分析能 力和t h z 辐射成像系统的成像质量有重要的意义。同时，本论文的实验数据处 理方法为今后利用t h z 时域光谱系统分析物质在t h z 波段的光谱性质打下了基 础。 ， 本论文的主要结果有： + 1 对于不同组分的z n 卜x c d 。t e 单晶，当x = o 0 5 时，作为t h z 辐射 产生器件，具有最好的性能，随着c d 组分的增加，晶体产生t h z 辐射的效率逐 渐降低。 2 对于不同组分的z n l x c d 。t e 单晶，随着c d 组分的增加，晶体的相 位匹配逐渐变差；但平均吸收系数和组分变换之间的关联性不大。因此，晶体的 相位匹配性能是影响其作为t h z 辐射源的主要因素。 3 对于不同组分的z n j _ x c d 。t e 单晶，当x = 0 时，其相位匹配性能最 好，但其对t h z 辐射的透过率较差，使它产生t h z 辐射的效率不是最好。这说 明在z n t e 晶体中少量( 3 5 ) 加入c d ，能够提高z n t e 晶体生长的质量，降低晶 体对t h z 辐射的吸收，提高晶体产生t h z 辐射的效率。 4 对于有掺杂的z n o9 5 c d o0 5 t e 单晶，通过不同掺杂可以改变 2 ，“o9 5 c d o0 5 t e 单晶的电阻率，从而改变样品产生t h z 辐射的效率。晶体的 电阻率p 1 0 2q c m 时，才能充当t h z 辐射的产生器件。 5 对于不同掺杂的z n o9 s c d o0 5 t e 单晶，当晶体的电阻率较大时( p 1 0 2 n c m ) ，晶体产生的t h z 辐射信号逐渐增大。当晶体的电阻率p 1 0 6q c i l l 时， 晶体产生t h z 辐射的效率达到饱和甚至可能下降。 6 对于不同掺杂的z n 0 0 5 c d o0 5 t e 单晶，晶体产生t h z 辐射效率不同 的主要原因是晶体对t h z 辐射的吸收不同。 论文共有六个部分组成，包括引言和五个章节。论文的结构是这样安排的： 引言部分概要介绍了t h z 辐射研究的背景和意义。 第一章主要介绍了t h z 辐射的基本情况，包括t h z 辐射的性质、t h z 辐射 的产生、t h z 辐射的探测、t h z 光谱系统的各种装置及t h z 技术的应用等五个 内容。 第二章介绍了不同组分、不同掺杂的z n l 、c d 。t e 单晶产生t h z 辐射的 特性研究，包括研究背景、实验样品、实验测量、结果及分析，结论等五个部分。 第三章介绍了不同组分、不同掺杂的z n l 。c d 、t e 单晶对t h z 辐射的吸 收特性研究，包括实验目的、实验原理、实验测量、实验结果、分析及讨论等。 第四章介绍了不同组分、不同掺杂的z n l 。c d ，t e 单晶产生y h z 辐射的 相位匹配特性研究，包括实验目的、实验过程、结果及分析等三个部分。 第五章对本论文的内容进行总结。 最后是结束语。 7 关键词：z n l 。c d 。t e 单晶，t h z 辐射，t h z 辐射的吸收，相位匹配 7 x 。 a b s t r a c t i nt h el a s td e c a d e ，r a p i dp r o g r e s si nu l t r a f a s tl a s e rt e c h n o l o g yp r o v i d e sas t e a d y a n dr e l i a b l e o p t i c a ls o u r c ef o rt h et e r a h e r t z ( t h z ) p u l s e sg e n e r a t i o n ，w h i c hg r e a t l y p r o m o t e st h er e s e a r c hi nt h et h zw a v e b a n dt h a t i sd i f f i c u l tt oa c c e s sb e f o r et h z s p e c t r ao fm a t e r i a l sc o n t a i na b u n d a n tp h y s i c a la n dc h e m i c a li n f o r m a t i o nt h e r e f o r e ， t h zt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di n m a n yd o m a i n s ，i n c l u d i n g f o u n d a t i o n a l r e s e a r c h ，i n d u s t r i a la n dm i l i t a r ya p p l i c a t i o n s e f f e c t i v eg e n e r a t i o no ft h zw a v ei sab a s i ci s s u ei ne x p e r i m e n t se v o l v i n gt h z r a d i a t i o ns c i e n t i s t sh a v es t u d i e dd i f f e r e n t e l e c t r o o p t i cc r y s t a l s a sat h zw a v e s e m i t t e r , a n dt h e yf o u n dt h a tt h ez n t ec r y s t a li st h eb e s tf o rt h zw a v eg e n e r a t i o n t h e r e f o r e ，z n t ec r y s t a lh a sb e e nt h em o s tc o m m o nm a t e r i a lf o rp u l s e dt h zw a v e s e n s i n g a n d i m a g i n ga p p l i c a t i o n s k a i l i ue la lh a v es t u d i e d - o r i e n t e d z n l x c d x t ec r y s t a l sw i t hv a r i o u sc o m p o s i t i o nr a t i o sa n dd i f f e r e n td o p i n gl e v e l st of i n d o p t i m a lm a t e r i a l s p a r a m e t e r sf o rh i g hp e r f o r m a n c et h zr a d i a t i o ne m i t t e r s t h e y e x p l a i n e dt h e i re x p e r i m e n t a lr e s u l t sf r o mt h ep o i n t so fv i e wo fc r y s t a lq u a l i t ya n d c r y s t a ld cr e s i s t i v i t y i nt h i st h e s i s ，w es t u d yt h et h z p u l s eg e n e r a t i o ne f f i c i e n c yo f t h e 一o r i e n t e dz n l x c d x t ec r y s t a l sw i t hv a r i o u sc o m p o s i t i o nr a t i o sa n dd o p i n g l e v e l s ，u s i n gt h zt i m e d o m a i ns p e c t r o s c o p y i ti s f o u n dt h a tb o t ha b s o r p t i o na n d p h a s em a t c h i n gc o n d i t i o np l a yi m p o r t a n tr o l e i ti st h ef i r s tt i m et os y s t e m a t i c a l l ys t u d y l1 0 一o r i e n t e dz n l c dt ec r y s t a l sw i t hv a r i o u s c o m p o s i t i o nr a t i o sa n dd i f f e r e n td o p i n gl e v e l su s i n gt h zt i m e d o m a i ns p e c t r o s c o p y o u rr e s u l t s e x p l a i nt h em e c h a n i s m so f t h ec o m p o s i t i o na n dd o p i n gd e p e n d e n tt h zr a d i a t i o ne f f i c i e n c yf o rt h e d i f f e r e n tc r y s t a l s e x p e r i m e n t a lr e s u l t si nt h i st h e s i sa r eu s e f u lf o rg r o w i n ge o c r y s t a l sw i t hh i g h p e r f o r m a n c e ，a n ds u g g e s tt h a tm o r ep a r a m e t e r sa r er e q u i r e df o rb e t t e rc h a r a c t e r i z a t i o no f t h i sk i n d o fc r y s t a l sa st h zw a v ee m i n e r s t h em a i nr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 ) e x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t sw i t hl o wc dc o m p o s i t i o nz n l x c d 。t e c r y s t a l s ( o x o 2 5 ) a s t h ze m i t t e r si n d i c a t et h e o p t i m u mc o m p o s i t i o no fx = o0 5 e f f i c i e n c yo f t h z w a v e g e n e r a t i o nd e c l i n e sw i t hi n c r e a s i n gt h er a t i oo f c d 2 ) f o rt h es 锄p l es e to fz n l 。c d x t e c r y s t a l s ( o x o 2 5 ) ，p h a s em a t c h i n g c o n d i t i o nr u n sd o w na sc d r a t i oi n c r e a s e s ，b u tt h ea b s o r p t i o nc o e f f i c i e n ti s i r r e l e v a n t t ( i h ec dc o m p o s i t i o n t h e r e f o r e ，t h e p h a s e m a t c h i n g c o n d i t i o n i nt h e 一o r i e n t e dz n l x c d x t ec r y s t a l s i st h ek e yf a c t o rw h i c ha f f e c t s t h eg e n e r a t i o n e f f i c i e n c yo f t h zw a v e s 3 1t h e p h a s em a t c h i n gc o n d i t i o ni nt h e 一o r i e n t e dz n l x c d x t ec r y s t a l ”i t h x ：0i st h eb e s t ，b u tt h ea v e r a g et r a n s m i t t a n c eo ft h z w a v ei nt h ec r y s t a li sl o w e r a s ar e s u l t ，i t s g e n e r a t i o ne f f i c i e n c y o ft h zw a v e si sn o tt h eb e s t t h eo b s e r v a t i o n r e c o n f i n n st h a ti n t r o d u c t i o n o fas m a l la m o u n to fc d ( 3 一5 ) i n t o z n t ec a n s i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h ec r y s t a lq u a l i t y a n de n h a n c e st h eg e n e r a t i o ne f f i c i e n c yo f t h zw a v e s 4 ) t h et h zr e s i s t i v i t y o fd o p e dz n o 9 5 c d o0 5 t e c r y s t a l sc h a n g e sw i t h d i f f e r e n td o p i n gf o l l o w i n gt h es i m i l a rw a ya st h ed cr e s i s t i v i t y , w h i c h r e s u l t si n d i f i e r e n tt h zw a v eg e n e r a t i o ne f f i c i e n c y e x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t sf r o md i f f e r e n t d o p e dz n o9 5 c d o0 5 t e c r y s t a l ss u g g e s tt h a t t h ed cr e s i s t i v i t yo f t h ec r y s t a lf o r t h ze m i t t e ra p p l i c a t i o ns h o u l db eg r e a t e rt h a n10 2 q c m 5 ) o p t i c a lr e c t i f i c a t i o ni na s e to fd o p e dz n o 9 5 c d o0 5 t e c r y s t a l ss h o wa n i n c r e a s i n ge f f i c i e n c yo ft h z b e a mg e n e r a t i o nw i t ht h ei n c r e a s i n gc r y s t a lr e s i s t i v i t y , b u tt h ee f f i c i e n c ys a t u r a t e sa n dd e s c e n d e dw h e nt h ed o p e dc r y s t a lr e s i s t i v i t yg o e s b e y o n d1 0 6q - c m 6 ) t h es e l f - a b s o r p t i o no ft h z w a v e si nd o p e dz n o 9 5 c d o0 5 t e c r y s t a l si s t h em a i nf a c t o rw h i c ha f f e c t st h eg e n e r a t i o ne f f i c i e n c yo ft h z w a v e s t h i st h e s i si s c o m p o s e do fs i xs e c t i o n s ，i n c l u d i n gt h e i n t r o d u c t i o na n df i v e c h a p t e r so r g a n i z e d a sf o l l o w s ： i n t r o d u c t i o ng i v e sab r i e fv i e wo nt h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo fs t u d y i n g t h zr a d i a t i o n c h a p t e ro n ei s as u r v e yo ft h zr a d i a t i o n ，i n c l u d i n gt h ec h a r a c t e ro ft h z r a d i a t i o n ，t h eg e n e r a t i o no f t h z r a d i a t i o n ，t h ed e t e c t i o no f t h zr a d i a t i o n ，t h ev a r i o u s s e t u p su s e di nt h zs p e c 订o s c o p y a n d a p p l i c a t i o n so f t h zr a d i a t i o n v c h a p t e rt w og i v e st h er e s e a r c ho nt h et h zp u l s eg e n e r a t i o ne f f i c i e n c y i nt h e 一o r i e n t e dz n x c d x t e c r y s t a l s w i t hv a r i o u sc o m p o s i t i o nr a t i o sa n dd i f f e r e n t d o p i n g l e v e l sw i t ht h zt i m e d o m a i n s p e c t r o s c o p y ，i n c l u d i n g t h e b a c k g r o u n d o f e ( p e r i m e m a ls t u d y , t h es a m p l e s u s e di no l r e x p e r i m e n t ，t h e m e a s u r eo fo u r e x p e r i m e n t ，t h er e s u l t sa n d d i s c u s s i o no fo u r e x p e r i m e n t ，t h ec o n c l u s i o na n d s o0 n c h a p t e r t h r e es t u d i e st h et h zp u l s e a b s o r p t i o n a n dt r a n s m i s s i o ni nt h e 一o r i e n t e d z n t x c d x t ec r y s t a l s w i t hv a r i o u s c o m p o s i t i o nr a t i o s a n dd i f f e r e n t d o p i n gl e v e l s ，i n c l u d i n gt h ep u r p o s eo fs t u d y , t h ep r i n c i p l eo fe x p e r i m e n t ，t h em e a s u r e ofe x p e r i m e n t ，t h er e s u l to f e x p e r i m e n t ，t h ea n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no ne x p e r i m e n t a l r e s u l t s c h a p t e rf o u ro f f e r st h ep h a s em a t c h i n gs t u d yo nt h e 一o r i e n t e dz n 】一x c d x t e c r y s t a l s w i t hv a r i o u sc o m p o s i t i o nr a t i o sa n dd i f f e r e n t d o p i n gl e v e l s ，i n c l u d i n gt h e p u r p o s e o fe x p e r i m e n t ，t h e p r o c e s s o fe x p e r i m e n t ，t h er e s u l ta n dd i s c u s s i o no f e x p e r i m e n t s c h a p t e rf i v ei st h es u m m a r y o f t h i st h e s i s k e y w o r d s ： 一o r i e n t e dz n l x c d x t ec r y s t a l s ，t h z w a v e ，a b s o r p t i o no f t h z w a v e ，p h a s em a t c h i n gc o n d i t i o n 致谢、 本论文的全部工作是在导师李福利教授和汪劣熟悉心指导下完成的。老 师们丰富的科学知识和深厚的研究功底使我受益非浅。他们敏锐的洞察力和严谨 的工作态度给我留下了深刻的印象，并将长期影响我今后的工作。三年来，在两 位导师的亲切关怀、热情鼓励和精心指导下，逐步锻炼了我独立做科研的能力。 在此，向两位尊敬的导师致以衷心的感谢f 论文中所有实验用的样品是由韩国全州国立大学物理系提供的，论文的工作 是在中科院物理所光物理实验室完成的。论文的完成与他们的辛勤工作、中科院 物理所浓厚的学术气氛和良好的科研条件，特别是l 0 2 组和谐美好的工作环境分 不开的，在此我要向所有帮助过我的老师和同学表示深深的谢意! 特别要提出的 是，在实验设计、实验数据处理及结果分析过程中，得到了同学徐新龙、中科院 物理所的师姐杨玉平和师妹施宇蕾的大力支持和帮助，在此表示衷心的感谢! 在三年的硕士就读期间，无论是学习上还是生活上，都得到了首都师范大学 物理系的王士平书记、张存林教授、王卫宁教授、沈京玲教授、胡颖教授、章贺龋 数椋教授和师母耿玉珍先生的亲切关怀和无私帮助，同时得到了师兄江昕、师兄俞 斌、师妹刘丽、师妹张蕾、师弟周小祥、师弟沙琳的大力支持，在此向他们致以 诚挚的感谢! 最后，感谢父母和爱人在生活上给予的鼓励、支持和帮助。他们寄予的殷切 期望，成为我勤奋工作的精神动力源泉之一。 蔓塑塑蔓奎兰堡：! 堡壅 至旦丝坌塑! 叁翌塑! ! 竺塑兰兰堡三兰鱼笪坚旦生墨塾塑：! ! ! 墅王 引言： t h z 辐射通常指的是频率在01 t h z 1 0 t h z ( 波长在3 0 t m 一3 r a m ) 之间的电 磁波，其波段在微波和红外光之间，属于远红外波段，如图一所示。t h z 波段对 应的波长、波数、频率等参数见表格一。在2 0 世纪8 0 年代中期以前，由于缺乏 有效的产生方法和检测手段，科学家对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限。 近十几年来，随着超快激光技术的迅速发展，为t h z 脉冲的产生提供了稳定、 可靠的激发光源，使t h z 辐射的产生和应用得到了蓬勃发展。物质的t h z 谱 非常重要，包含着丰富的物理和化学信息。同时，t h z 辐射的优点决定了它在很 多方面可以成为傅立叶变换红外光谱技术和x 射线技术的互补技术，使t h z 电 磁波在很多基础研究领域、工业应用及军事应用领域有相当重要的应用。随着 t h z 技术的发展，t h z 技术的应用领域也在不断地拓宽，它在生物学、医学、微 电子学、农业及其他领域也有很大的应用潜力。 t h z 波段 1 0 0 1 0 31 0 61 0 91 0 1 21 0 1 51 0 1 81 0 2 11 0 2 4 h z k h z i i d h zg i - i zt h zp h ze h zz h zy h z 频率 1 t h z l p s 3 0 0 i t m 一3 3 c m 一, - 4 1 e v , - - 4 8 k 图一：t h z 波段在电磁波谱中的位置示意图 表格一：t h z 波段的有关参数 波数波长频率光子能量黑体辐射温度 1 c m l1 0 r a mo 0 3 t h z 1 2 0 t r e y i 4 k l o c m 。1l m m o 3 t h z 1 2 m e v1 4 k 3 3 c m 。1 3 0 0 p m 1 t h z4 1 m e v4 8 k 1 0 0 e m 1 1 0 0 1 t i n 3 t h z1 2 m e v1 4 0 k 2 0 0 c m 。1 5 0 i j t m 6 t h z2 5 m e v2 9 0 k 【6 7 0 c m 1 1 5 p r o 2 0 t h 2 8 3 m e v 9 6 0 k 首都师范大学硕士论文 不同组分和掺杂的z n c d t e 单晶的t h z 辐射特性研究 在t h z 辐射成像和光谱分析实验中，如何有效地产生和探测t h z 脉冲具有 非常重要的意义。目前用于产生( 探测) t h z 脉冲的机制主要有两类：光导天线 机制和光整流效应( 线性电光效应) 2 _ 3j 。利用电光晶体的光整流效应产生t h z 脉冲频率较高，同时，利用电光晶体的线性电光效应探测t h z 脉冲具有光学平 行处理的能力和优越的探测信噪比，故而在t h z 辐射成像和光谱分析实验中常 常使用电光晶体。常用的电光晶体有z n t e l 4 。7 】、z n s e 8 - 1 0 1 、c d t e l “】、l i n b 0 3 、 i _ , i t a 0 3 【31 2 1 和有机晶体d a s t 1 3 - 1 4 1 等，其中z n t e 电光晶体作为t h z 脉冲产生和 探测材料，其总体性能优于其他电光晶体，目前在t h z 辐射实验中应用得最广 泛。为了进一步提高晶体产生t h z 辐射的效率，我们利用t h z 时域光谱系统对 不同组分、不同掺杂的一些z n t x c d x t e 单晶进行研究，分析了它们产生 t h z 辐射的效率、它们对t h z 辐射的吸收及它们的相位匹配。 目前，世界上许多研究机构相继开展了t h z 技术的深入研究，并且已取得 i r 很多重要成就。在利用电光晶体产生和探测t h z 辐射方面，许多科学家作了 大量的研究，但大部分都是对各种不同的电光晶体进行研究，对于不同组分和不 同掺杂的z n l x c d x t e 单晶研究得极少。特别是国内，t h z 技术的研究还 处于起步阶段，这个课题对于更有效地利用电光晶体产生t h z 辐射，进行t h z 光谱探测和成像研究有非常重要的实用意义。 2 堑塑坚翌查兰堡主丝苎 至堕望坌塑堡墨塑! ! ! ! 里：! ! 竺兰墨塑! 翌! 塑壁塑羔i ! ! 塑 第一章：t h z 辐射的基本情况 本章主要介绍了t h z 辐射的基本情况，包括t h z 辐射的性质、t h z 辐射的 严生、t h z 辐射的探测、t h z 光谱系统的各种装置及t h z 技术的应用等五个内 答。 第一节：t h z 辐射的性质 t h z 技术之所以引起人们广泛的关注，首先是因为物质的t h z 光谱( 包括 透射谱和反射谱) 包含着非常丰富的物理和化学信息，研究物质在这一波段的光 谱对于物质结构的探索具有重要意义；其次是因为t h z 脉冲光源与传统光源相 比具有很多独特的性质。 一、瞬态性：t h z 脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但可以方便地对各种材料 ( 包括液体、半导体、超导体、生物样品等) 进行时间分辨的研究，而且通过取样 测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰。目前，辐射强度测量的信噪比 可以大于l o ”，远远高于傅立叶变换红外光谱技术，而且其稳定性更好。 二、宽带性：t h z 脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频 带可以覆盖从g h z 至几十t h z 的范围，便于在大的范围里分析物质的光谱性质。 三、相干性：t h z 的相干性源于其产生机制。它是由相干电流驱动的偶极子 振荡产生，或是由相干的激光脉冲通过非线性光学差频效应产生。t h z 技术的相 干测量技术能够直接测量电场振幅和相位，可以方便地提取样品的折射率、吸收 系数，与利用k r a m e r s k r o n i g 关系的方法相比，大大减少了计算和不确定性。 四、低能性：t h z 光子的能量只有毫电子伏特，与x 射线相比，不会因为 电离而破坏被检测的物质。 五、t h z 辐射对于很多非极性物质，如电介质材料及塑料、纸箱、布料等 包装材料有很强的穿透力，可用来对已经包装的物品进行质检或者用于安全检 查f 1 ”。 六、大多数极性分子如水分子、氨分子等对t h z 辐射有强烈的吸收u 7 - 2 0 j ， 可以通过分析它们的特征谱研究物质成分或者进行产品质量控制。同时，许多 极性大分子的振动能级间的间距和转动能级间的间距正好处于t h z 频带范围， 使t h z 光谱技术在分析和研究大分子方面有广阗的应用前景【2 2 1 。 t h z 光谱技术不仅信噪比高，能够迅速地对样品组成的微细变化作出分析和 3 皇塑堕翌查兰墅主笙塞 至旦塑坌塑堡墨塑! ! ! ! 里：! ! 竺望曼塑! 坚! 塑型塑登：! 堕 鉴别，而且t h z 光谱技术是一种非接触测量技术，使它能够对半导体、电介质 薄膜及体材料的物理信息进行快速准确的测量。以上这些特点决定了t h z 技术 在很多基础研究领域、工业应用领域、医学领域、军事领域及生物领域中有重要 的应用前景。 第二节：t h z 辐射的产生 t h z 辐射的产生有多种方法，按照所产生的t h z 辐射的性质可以分为两类： 连续t h z 辐射的产生和脉冲t h z 辐射的产生。连续t h z 辐射的产生主要有血种 方法，最简单的是自然界中的热辐射源( 如碳硅棒等) 辐射t h z 电磁波。用得最多 的是非线性光学过程( 差频或混频) 产生连续t h z 电磁波和电子辐射产生连续 1 h z 电磁波。另外三种产生t h z 辐射的方法是通过三种不同的t h z 激光器直接 产生，一种是自由电子激光器，一种是蒸汽染料激光器，还有一种是半导体激光 器( 包括量子级联激光器) 。目前，这些激光器正在进一步的研究中。 脉冲t h z 辐射的产生也有很多方法，最常用的有光导开关机制、光整流效 应等。同时，t h z 辐射还可以通过半导体表面电流产生机制、反f r a n z k e l d y s h 效应、相干控制、等离子体振荡等产生。 2 1 连续的t t t z 辐射源2 3 i 2 1 1 热辐射源 傅立叶变换红外光谱技术是研究可见光波段到中红外波段有效的光谱技术， 同时可以产生和探测t h z 辐射。它产生t h z 辐射通过热辐射，是非相干的。但 由于在长波波段，热辐射的能量很低，同时热探测器的灵敏度较低，能够探测的 t h z 频带在3 t h z 以上。 t h z 傅立叶变换红外光谱仪的t h z 辐射是由汞灯或碳硅棒产生的，直接入 射到干涉仪的两臂，样品放在其中的一臂，样品的t h z 波段性质会影响两束光 的相干图样，利用傅立叶理论和数值快速傅立叶变换算法，可以得到样品的光学 性质。 与t h z 光谱系统相比，t h z 的傅立叶变换红外光谱仪最主要的缺点是信噪 比在3t h z 以下时比较差。不过，在测试速度、频率分辨率和对数值傅立叶变换 的依赖等方面，两者是相当的。t h z 傅立叶变换红外光谱仪最大的优点是能够很 4 首都师范大学硕士论文不同组分和掺杂的z n c d t e c l l 竺兰曼塑! 坚! j 巡生堡塑塑 灵活地探测到可见光频段的光谱。 2 1 2 非线性光学过程 非线性光学材料的二阶非线性特性x 2 可以使材料通过两束泵浦光的差频辐 射出低频t h z 电磁波。通过差频效应或三波混频效应产生低频t h z 辐射是一种 较早的t h z 辐射产生方法，不过由于转换效率较低，多年来没有得到很好的发 展。近年来，利用有机晶体d a s t 能够产生出较强的t h z 辐射信号。在远红外 波段，d a s t 晶体的非线性电光系数很高，介电常数很低，利用钛宝石激光器产 生的两个可调的准连续光波的混频可以产生能量超过2 p , w 、脉冲宽度为3 2 n s 的 1 h z 辐射波。利用n d ：y a g 激光器产生的泵浦光和在周期性极化的铌酸铝晶体 的参量振荡器产生的双波长光产生的t h z 辐射，其波长可以从1 2 0 9 m 调到 1 6 0 p m 。 利用非线性光学晶体产生t h z 辐射还可以通过参量效应。一束近红外泵浦 光束可以在非线性晶体中产生第二个近红外闲置光束，甭浦光束和闲置光束的差 频可以产生t h z 辐射。如果把非线性晶体放在有闲置光的腔中，就形成了光参 量振荡器。 非线性光学方法产生连续的t h z 辐射有很多优点，如比较简单，可利用固 态泵浦光源，可以调节t h z 波的波长等。尽管差频产生t h z 辐射系统和光学参 量产生t h z 辐射系统比电子泵浦的固态激光源体积庞大，但比自由电子激光器 和蒸汽染料激光器小，在y h z 光谱应用中有一定的发展潜力。 与差频产生t h z 辐射的方法类似的另一种方法是利用加上偏毳的半导体。 所用的半导体载流子寿命短、载流子的迁移率高，能够把两束光的拍频( 在t h z 波段) 转化为t h z 辐射波。b r o w n 等人利用在低温生长的g a a s 上的电极和天 线最早发现了g h z 和t h z 光电混频器( 光外差转换器1 。 2 1 3 t h z 辐射的电子源 电子源的辐射频率从m h z 到几百g h z 。高速的电子装黄适合低能连续波的 产生。利用复杂电桥构成的非接触装置能够精确地探测薄膜在3 0g h z 到1 t h z 的介电性质。非线性传输线也能用来产生亚皮秒量级的瞬态电脉冲，使天线辐射 出t h z 辐射波。室温光谱应用中利用非线性传输线产生的t h z 辐射有很窄的带 寄。 5 堕塑堕蔓查兰堡主堡苎； 至型塑坌塑堡墨塑! ! ! ! 里：! ! ! ：兰曼塑! 翌! 塑墨堕坐! ! ! 塑 回波振荡器是电子驱动的微波发生器，需要强的磁场和冷却水，能够辐射出 3 0 0 r o w 、窄带可调的t h z 辐射波。利用电子源辐射t h z 连续波，技术简单而且 易于集成，同时产生的t h z 连续波能量较强、质量较好。 2 1 4 t h z 辐射光源 研制直接产生t h z 辐射的t h z 激光器的主要困难是找到一种有效的增益介 质。增益介质应该具有高的增益和高的输出功率，能够有效地被泵浦，而且 造价便宜、使用方便。直接产生t h z 波的激光器有三种：自由电子激光器、蒸 汽染料激光器、半导体激光器。 自由电子激光器的增益介质是振荡的电子柬，它被空间周期性的振荡磁场调 制，改变磁场的振荡频率可以调节辐射场的波长。自由电子激光器是最强的t h z 辐射源，能够产生连续波或相干的脉冲波。自由电子激光器是研究t h z 辐射及 f h z 辐射波与物质相互作用非常重要的工具。 蒸汽染料激光器是通过光泵浦或电子泵浦把大分子( 如甲醇和氰化氢气体) 激发到激发态，利用适当的跃迁辐射t h z 波。蒸汽染料激光器能用来探测多种 材料在远红外的特性。目前它的发展方向是继续减小激光器的尺寸，同时提高它 的可调性。 为了研制小型、价廉而且可调的固态t h z 光源，发展了t h z 半导体激光器： p 型锗激光器和半导体异构激光器。锗激光器是通过p 一型掺杂的锗中热空穴的激 发和受激辐射产生t h z 激光。半导体异构激光器辐射t h z 波利用半导体子带间 的跃迁。很多实验小组已经证实从量子结构中能够辐射出t h z 波，他们利用子 带间的跃迁和隧道贯穿过程产生出窄带的t h z 辐射。 2 2 脉冲t h z 辐射源 脉冲的t h z 辐射既可以通过脉冲的光混频过程产生，也可以通过光激发半 导体产生，但最常用的是通过光导天线辐射机制和光整流效应。 2 2 1 脉冲光混频过程 偏压半导体中的脉冲光混频过程与光导天线辐射t h z 波、连续波的光混频、 连续波的非线性差频过程有关。超快激光器产生的激光脉冲，分为两束作为干涉 仪的相干光束，控制它们之间的相位可以控制t h z 脉冲的波形。在量子阱结构 6 首都师范大学硕士论文不同组分和掺杂鲤兰! 里堕三i ! ! 三望曼堕! 垡! 塑! ! 堑堡竺窒 中用等离子体的共振激发也能观察到光混频过程。啁啾脉冲的光混频能够产生很 窄的频率可调的t h z 脉冲。 2 2 2 光激发半导体产生t h z 脉冲1 2 3 l 光激发半导体材料辐射出t h z 脉冲是多个效应作用的共同结果。在这些效 应中，主要有光整流效应、半导体表面场中光生载流子加速效应、相干极化场的 振荡、相干声子和相干等离子振荡、相干控制的光电流振荡、耦合量子阱中的跃 迁、量子阱中的子带间跃迁、量子阱中的相干电流振荡等等。 1 9 9 0 年首次发现用超快激光脉冲激发半导体辐射出t h z 脉冲。t h z 辐射场 的强弱与泵浦光的功率有关，是光整流效应、光生载流子在半导体表面场中加速 等过程的共同结果。从半导体表面辐射的t h z 脉冲可以通过调节半导体周围的 磁场调节t h z 脉冲的辐射效率。t h z 脉冲的频谱与泵浦光的波形、半导体周围 的磁场有关。从半导体异构结构中辐射的t h z 脉冲可以通过泵浦脉冲的波形控 制。 2 2 3 光导天线辐射机制 光导天线辐射机制是利用超短激光脉冲泵浦光导材料( 光子能量大于光导材 料的禁带宽度) ，在其内部产生电子空穴对，这些载流子在外加偏置电场作用下 作变速运动形成一个瞬态光电流，从而辐射出低频t h z 脉冲，如图2 1 所示。 图2 1 ：光导天线受激示意图 光导天线有两个基本特征：一、它具有天线结构，能够辐射出亚毫米电磁波 7 兰塑堕蔓盔兰堡圭堡兰 至旦塑坌塑堡墨墼! ! ! ! 里：! ! 竺兰曼塑曼竺塑型塑型：! ! 盈 二：、天线的衬底材料在激光脉冲照射下能产生超快瞬态电流，此电流在天线的外 加偏置电场作用下驱动天线辐射出t h z 脉冲。光导天线可以设计成多种形式， 可以用不同材料作为衬底。不同光导天线辐射的t h z 脉冲的带宽不同，t h z 脉 冲的最大功率由光导开关材料的性质和天线的耦合效率决定 ”1 。 光导天