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 高重頻飛秒太赫茲輻射源的最新發(fā)展，極大地提高了太赫茲輻射的效率，并且預(yù)示著光電導(dǎo)發(fā)射器仍將是重要的太赫茲光源。

 作者:Jared Wahlstrand, Thomas Dekorsy, GregorKlatt, Steven Cundiff

 太赫茲（1THz=10¹²Hz）波的頻率范圍介于微波和紅外輻射之間。許多振動(dòng)分子激發(fā)在太赫茲范圍內(nèi)是可探測(cè)的，這使其成為化學(xué)探測(cè)的有用頻帶，并服務(wù)于工業(yè)裝配和國(guó)土安全領(lǐng)域。將太赫茲輻射源發(fā)射的短脈沖與電光采樣相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)，能夠?qū)�介質(zhì)在遠(yuǎn)紅外區(qū)響應(yīng)的實(shí)部和虛部同時(shí)進(jìn)行超快測(cè)量。^[1,2]由于太赫茲發(fā)射鎖模飛秒激光器尚未實(shí)現(xiàn)，因此產(chǎn)生太赫茲脈沖的最簡(jiǎn)單方法是使用一臺(tái)工作于光學(xué)波長(zhǎng)的鎖模激光器。持續(xù)時(shí)間小于1ps的太赫茲短脈沖，相當(dāng)于一個(gè)沿亞皮秒光脈沖強(qiáng)度包絡(luò)方向的電場(chǎng)。

盡管目前人們正在大力開(kāi)發(fā)高峰值功率的太赫茲光源，因?yàn)樗�可以用于在太赫茲頻率上研究非線性光學(xué)，但是對(duì)于線性光譜學(xué)來(lái)說(shuō)，最重要的是平均功率，而并非峰值功率。相較于那些基于放大激光系統(tǒng)的光源，高重頻（50~1000MHz）飛秒光源結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、成本更低、噪聲更小。通過(guò)使用兩臺(tái)同步脈沖激光器，其中一臺(tái)產(chǎn)生太赫茲脈沖、另一臺(tái)探測(cè)太赫茲電場(chǎng)，人們甚至無(wú)需任何機(jī)械移動(dòng)部件就可以建立起一套太赫茲光譜分析系統(tǒng)。^[3]下面將討論基于半導(dǎo)體的高重頻太赫茲光源的一些最新進(jìn)展。需要說(shuō)明的是，本文不可能涵蓋這一高速發(fā)展的領(lǐng)域在近年來(lái)取得的所有發(fā)展，而只是列出幾個(gè)例子加以討論。

 光電導(dǎo)發(fā)射

從本質(zhì)上說(shuō)利用光脈沖來(lái)產(chǎn)生太赫茲輻射有兩種機(jī)制。最簡(jiǎn)單的是光整流。在一塊沒(méi)有反轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性的透明介質(zhì)中，一個(gè)強(qiáng)光脈沖可以誘導(dǎo)出隨之運(yùn)動(dòng)的偶極電荷分布并發(fā)射太赫茲輻射。通常人們使用寬帶隙半導(dǎo)體碲化鋅等材料或DAST等有機(jī)非線性晶體。光整流具有操作簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)：操作人員只需將鎖模激光器發(fā)出的光束聚焦到晶體中。這種方法的缺點(diǎn)是：因?yàn)榫�體的吸收，所以可以獲得的帶寬有限。另外，光整流要求相位匹配：為了高效地產(chǎn)生太赫茲短脈沖，光脈沖的群速度需要與太赫茲波的相速度相匹配。

第二種產(chǎn)生機(jī)制（也是本文要重點(diǎn)討論的）是光電導(dǎo)發(fā)射。^[4]在這種情況下，由超快脈沖照射半導(dǎo)體產(chǎn)生光生載流子，對(duì)這些載流子進(jìn)行加速即可發(fā)射太赫茲脈沖，這里所用的半導(dǎo)體有兩種，對(duì)于鈦寶石激光通常使用砷化鎵(GaAs)，而對(duì)于光纖激光器則通常使用砷鎵銦(InGaAs)。存在于半導(dǎo)體中的內(nèi)建電場(chǎng)能夠引起電流浪涌，從而爆發(fā)式發(fā)射太赫茲輻射。當(dāng)然強(qiáng)電場(chǎng)存在于摻雜半導(dǎo)體的表面，但這對(duì)于產(chǎn)生太赫茲輻射來(lái)說(shuō)并不是最佳的，因?yàn)樘�赫茲脈沖的偏振方向與偏置電場(chǎng)的方向相同，于是太赫茲輻射的傳播方向位于樣品所在的平面上，使得難以將輻射光耦合出來(lái)。因此人們通常采用橫向電場(chǎng)結(jié)構(gòu)，即偏置電場(chǎng)的指向位于半導(dǎo)體表面所在的平面。

光電導(dǎo)光源要求介質(zhì)中存在一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)。對(duì)于傳統(tǒng)的光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)，提高其太赫茲發(fā)射的一個(gè)途徑是增強(qiáng)加速電場(chǎng)，這可以通過(guò)在恒定的電壓下減小電極之間的間隙距離、或者當(dāng)間隙距離恒定時(shí)提高電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。減小間隙距離會(huì)導(dǎo)致激活面積減小，從而使效率降低。由于“金屬-半導(dǎo)體-金屬”結(jié)構(gòu)在外置偏壓下復(fù)雜的物理機(jī)制，人們企圖通過(guò)提高電壓來(lái)改進(jìn)光電導(dǎo)發(fā)射器的嘗試曾一度挫敗。由于在半絕緣的砷化鎵半導(dǎo)體中捕獲的載流子存在雜質(zhì)，因此當(dāng)偏置電壓升高時(shí)，電場(chǎng)分布就會(huì)集中在帶正電荷的陽(yáng)極附近。^[5]據(jù)報(bào)道，在陽(yáng)極附近幾微米的范圍內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)可高達(dá)500kV/cm。盡管這是一個(gè)巨大的場(chǎng)強(qiáng)，然而這些“捕獲增強(qiáng)場(chǎng)”只能存在于金屬電極附近幾微米的范圍之內(nèi)，這個(gè)事實(shí)讓人們很難利用它來(lái)產(chǎn)生太赫茲輻射。采用橢圓形狀的焦斑可以用來(lái)對(duì)這種強(qiáng)捕獲增強(qiáng)場(chǎng)加以利用，但是這樣形成的發(fā)射器的激活面積仍然較小。^[5]

有人利用光束或電子束光刻加工成一種“金屬-半導(dǎo)體-金屬”的插指型結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)了一款特殊設(shè)計(jì)的光電導(dǎo)太赫茲發(fā)射器，從而克服了這些問(wèn)題。由于在指狀結(jié)構(gòu)之間的每一個(gè)間隙中電場(chǎng)的符號(hào)都會(huì)改變，如果將施以插指型偏壓的金屬條紋排列成簡(jiǎn)單的陣列，會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生的輻射在遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)生相消干涉。因此，將兩個(gè)電極之間的所有間隙進(jìn)行間隔掩模是非常重要的（如圖1a）。這樣，在整個(gè)被光輻照的激活區(qū)上載流子被單向加速，可以使得產(chǎn)生的太赫茲輻射在遠(yuǎn)場(chǎng)相干疊加。^[6]激活區(qū)的尺寸可以達(dá)到10mm×10mm²，電極的寬度和間距選定為5µm。這些小間隙確保了利用一個(gè)簡(jiǎn)單的電源供電，就可以輕松地獲得每厘米幾十千伏量級(jí)的加速電場(chǎng)。

圖1：為了防止產(chǎn)生的太赫茲輻射在遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)生相消干涉，光電導(dǎo)發(fā)射器的插指型金屬條紋之間的間隙必須被間隔掩模（a）。與插指狀光電導(dǎo)發(fā)射器相似，光致登伯發(fā)射器的相消干涉問(wèn)題是利用金屬的厚度變化破壞不透明條紋的橫向?qū)ΨQ(chēng)性得以解決的（b）。

光致登伯效應(yīng)

最近一項(xiàng)基于橫向光致登伯效應(yīng)的研究，實(shí)現(xiàn)了太赫茲發(fā)射器的一個(gè)新概念。^[7]這種發(fā)射器不需要外部偏置電壓。相反，其時(shí)變偏振的驅(qū)動(dòng)力是光生載流子的橫向密度梯度。這樣的梯度導(dǎo)致了當(dāng)激發(fā)半導(dǎo)體表面的不透明材料的邊緣時(shí)，就會(huì)形成超快電子擴(kuò)散電流。由于電子向未激發(fā)區(qū)域的擴(kuò)散速度較快，空穴的擴(kuò)散速度較慢，于是就建立起一個(gè)空間電荷場(chǎng)（也就是橫向光致登伯場(chǎng)）。與插指型光電導(dǎo)發(fā)射器相似，簡(jiǎn)單的金屬條紋陣列會(huì)導(dǎo)致相消干涉，因?yàn)槊總�(gè)金屬條紋的兩種載流子梯度方向剛好相反。通過(guò)金屬厚度的變化來(lái)破壞不透明條紋的橫向?qū)ΨQ(chēng)性，載流子梯度就會(huì)被間隔抑制，從而在整個(gè)激活區(qū)形成單向的載流子梯度（如圖1b）。

利用快速掃描太赫茲精度光譜儀，對(duì)測(cè)得的光致登伯發(fā)射器以及加速電場(chǎng)為15kV/cm的插指型光電導(dǎo)發(fā)射器的太赫茲電場(chǎng)進(jìn)行了比較（如圖2）。光電導(dǎo)發(fā)射器是在半絕緣的砷化鎵上制造的，而光致登伯發(fā)射器則是在一塊磷化銦襯底上生長(zhǎng)的In0.53Ga0.47As的外延層上制備的。由于砷鎵銦的帶隙能量（0.74eV）比砷化鎵（1.42eV）小，因此光致登伯發(fā)射器還可以與小型摻鉺飛秒光纖激光器結(jié)合使用。^[8]

圖2:工作于15kV/cm偏置電場(chǎng)的插指型光電導(dǎo)發(fā)射器與無(wú)偏壓光致登伯發(fā)射器的時(shí)域瞬態(tài)波形相比較，結(jié)果表明，光致登伯發(fā)射器的性能與偏壓發(fā)射器的性能相當(dāng)。小插圖顯示了光致登伯發(fā)射器的掃描電極圖像。右側(cè)被厚厚的金層覆蓋的鋁層清晰可見(jiàn)。

 射頻偏壓

增大發(fā)射器尺寸的另一種方法是采用射頻偏壓。^[9]只有當(dāng)載流子從電極注入到半導(dǎo)體中時(shí)，捕獲增強(qiáng)場(chǎng)才會(huì)存在。研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用頻率與激光器重復(fù)頻率相接近的射頻場(chǎng)對(duì)發(fā)射器施加偏壓時(shí)，就會(huì)在半導(dǎo)體內(nèi)部形成一個(gè)足以產(chǎn)生太赫茲輻射的勻強(qiáng)偏置電場(chǎng)，即使在金屬電極和半導(dǎo)體之間夾上一層絕緣層也是如此。射頻偏壓可以通過(guò)使用一個(gè)儲(chǔ)能電路實(shí)現(xiàn)被動(dòng)增強(qiáng)，因此不需要高壓電路（如圖3）。通過(guò)將射頻偏壓與激光器的重復(fù)頻率同步，可以產(chǎn)生一個(gè)有效的恒定（直流）場(chǎng)，或者可以使用稍微偏離激光器重復(fù)頻率的射頻頻率進(jìn)行差頻鎖定探測(cè)。研究人員發(fā)現(xiàn)，采用射頻偏壓和絕緣電極的發(fā)射器極其堅(jiān)固，能夠抵抗強(qiáng)激光場(chǎng)和高壓偏置電場(chǎng)的損傷，而這是光電導(dǎo)發(fā)射器中存在的普遍問(wèn)題。當(dāng)偏壓升高時(shí)，太赫茲發(fā)射并未出現(xiàn)飽和跡象，這意味著如果偏置電場(chǎng)可以進(jìn)一步增強(qiáng)，那么這種發(fā)射器仍有改進(jìn)的空間。

圖3：通過(guò)使用射頻偏壓可以增大太赫茲發(fā)射器的尺寸。如果為發(fā)射器提供偏壓的射頻場(chǎng)頻率與激光器的重復(fù)頻率接近，就可以在半導(dǎo)體內(nèi)部形成一個(gè)足以產(chǎn)生太赫茲輻射的勻強(qiáng)偏置電場(chǎng)。這種偏壓方案采取了對(duì)偏壓電場(chǎng)進(jìn)行被動(dòng)增強(qiáng)的方式（上圖）。太赫茲場(chǎng)的峰值隨著偏壓幅度的提高而增大（下圖）。

總之，最新的發(fā)展表明，光電導(dǎo)超快太赫茲光源作為一項(xiàng)成熟的技術(shù)，仍然存在改進(jìn)的空間，并且仍將是產(chǎn)生太赫茲輻射的一個(gè)重要手段。

參考文獻(xiàn)

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