用光電導方法產生高功率太赫茲電磁波

目前，簡便易行的產生脈沖THz輻射的主要方法有兩種，即光電導激發機制和光整流效應。前者是利用超快脈沖激光觸發直流偏置下的光電半導體，因光生載流子在偏置電場作用下加速運動而輻射THz電磁波。光電導THz電磁輻射發射系統的性能與光電導芯片、天線的幾何結構和觸發激光脈沖寬度有關。其中，光電導芯片是產生THz電磁波的關鍵部件，性能良好的光電導芯片應該具有載流子壽命短，遷移率高和能夠承受高電壓，大電流的能力。光整流效應是一種非線性效應，利用亞皮秒量級激光脈沖和非線性介質相互作用產生的低頻電極化場也可以輻射出THz電磁波，用整流效應輻射THz電磁波的強度和頻率分布決定于激光脈沖的特征和非線性介質的性質。

由于光整流效應產生的THz波的能量僅僅來源于入射激光脈沖的能量，而光電導激發機制輻射THz波的能量主要加載在光電導體上的偏置電場，所以用光電導激發機制輻射的THz電磁波能量通常比用光整流效應產生的THz波能量強。結合用半絕緣GaAs材料研制橫向型超快光電導開關的研究經驗，我們已經研制了具有條形電極結構的GaAs光電導偶極天線，在fs超快激光脈沖觸發下進行了THz電磁波的發射和測試實驗，得到了頻譜寬度大于2THz、脈沖寬度約1ps的THz電磁波。實驗表明，增加光電導偶極芯片兩電極之間的偏置電場E b，可以提高所輻射THz電磁場的強度。采用多層透明絕緣結構，可以提高它在工作狀態時的偏置電場強度，從而提高GaAs光電導偶極天線輻射THz電磁波的強度。在遠場條件下，THz輻射強度與GaA s芯片表面光激發瞬態電流Js的時間導數成正比。由于瞬態電流Js的時間變化率決定于觸發光脈沖，因此，在遠場條件下THz電磁波強度決定于觸發光脈沖的寬度、功率和偏置電場的強度。另外，光電導偶極芯片的電極兼有發射天線的作用，可以通過設計金屬電極的形狀，改進條狀天線(電極)為對數螺旋天線或對數周期天線，以提高THz電磁波的發射效率。最近的實驗研究表明，用組合開關結合在氣體中形成的等離子體有可能進一步提高光電導偶極輻射THz波的功率；用縫隙光電導天線有可能通過調節縫隙來調諧偶極輻射的波段；用光控延遲方式結合光電導陣列，使各個光電導天線輻射的THz波在空間相干合，將大幅度提高THz輻射功率。