GaAs光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)產(chǎn)生太赫茲電磁波的實(shí)驗(yàn)及理論分析.pdf

1、半導(dǎo)體光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)是利用超快激光器與光電導(dǎo)體(例如：Si、InP、GaAs)相結(jié)合形成的一類(lèi)新型器件。20世紀(jì)90年代初，隨著超快激光脈沖技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)在受激光脈沖照射后，除體內(nèi)能產(chǎn)生可被利用的電脈沖之外，還可向外輻射超寬帶電磁波甚至太赫茲頻率的電磁波，為人們研究太赫茲電磁波提供了有力的工具。物質(zhì)的THz光譜(包括發(fā)射、反射和透射)包含有豐富的物理和化學(xué)信息，它在物體成像、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷、射電天文、尤其是在衛(wèi)星通訊和軍

2、用雷達(dá)、國(guó)防安檢等方面具有重大的科學(xué)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，因此，太赫茲技術(shù)已成為當(dāng)今科學(xué)研究的熱門(mén)課題，世界各國(guó)都爭(zhēng)相發(fā)展自己的太赫茲技術(shù)。 本論文對(duì)GaAs光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)為偶極輻射天線產(chǎn)生高功率太赫茲電磁波的技術(shù)進(jìn)行了研究，主要完成了以下幾方面的工作： 進(jìn)行了光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)輻射太赫茲波的實(shí)驗(yàn)：以半絕緣GaAs光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)作為偶極輻射天線，實(shí)驗(yàn)比較了3mm、6mm兩種電極間隙的裸片天線和表面鈍化Si<,3>N<,4>天線(以下簡(jiǎn)稱(chēng)

3、鈍化天線)輻射的太赫茲波。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了表面鈍化絕緣保護(hù)層的光電導(dǎo)天線輻射的太赫茲波電場(chǎng)強(qiáng)度明顯高于同間隙裸片天線。 解釋了光電導(dǎo)天線輻射太赫茲波的時(shí)域特性的物理本質(zhì)：采用蒙特卡羅方法，模擬了GaAs光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)作為輻射天線在飛秒激光脈沖觸發(fā)下光生載流子在外加偏置電場(chǎng)作用下的動(dòng)力學(xué)行為，獲得了與實(shí)驗(yàn)吻合較好的展寬性模擬結(jié)果，通過(guò)載流子的動(dòng)力學(xué)行為分析了太赫茲波展寬的物理機(jī)制。分別利用數(shù)值方法和蒙特卡羅方法，模擬了低溫GaAs和半絕

4、緣GaAs光電導(dǎo)天線輻射太赫茲波的雙極特性。較好地解釋了低溫GaAs和半絕緣GaAs光電導(dǎo)天線輻射太赫茲波雙極特性的不同物理機(jī)制。模擬了不同實(shí)驗(yàn)條件下GaAs光電導(dǎo)天線輻射太赫茲波體內(nèi)電場(chǎng)的分布以及空間電荷屏蔽效應(yīng)對(duì)輻射太赫茲波的影響。根據(jù)時(shí)域空間電場(chǎng)分布分析了高能量激光脈沖觸發(fā)低壓偏置的GaAs開(kāi)關(guān)，太赫茲波輻射功率受限的主要原因，和高能量飛秒激光脈沖以不同方式觸發(fā)(全電極間隙、部分電極間隙)天線對(duì)太赫茲波的影響。 提出了一種

5、適合計(jì)算光電導(dǎo)天線輻射太赫茲波功率的公式：基于拉曼公式，提出了適合計(jì)算光電導(dǎo)天線輻射太赫茲波功率的公式，并以此公式計(jì)算了不同實(shí)驗(yàn)條件下光電導(dǎo)天線輻射的太赫茲波功率；比較了大孔徑天線和小孔徑天線在相同的實(shí)驗(yàn)條件下輻射的太赫茲波功率，解釋了兩種電極間隙的天線產(chǎn)生不同功率太赫茲波的物理機(jī)制。 提出了解釋光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)非線性模式的新觀點(diǎn)：基于Auston光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)等效電路模型，模擬了光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)在飛秒激光脈沖觸發(fā)下輻射太赫茲波過(guò)程中，光電導(dǎo)開(kāi)

6、關(guān)的傳輸特性、電介質(zhì)弛豫特性、開(kāi)關(guān)儲(chǔ)能特性以及開(kāi)關(guān)工作模式。模擬結(jié)果比較好地吻合了實(shí)驗(yàn)中GaAs光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)工作模式特點(diǎn)，即只有在觸發(fā)光能和偏置電場(chǎng)都大于光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)產(chǎn)生非線性電脈沖所需閾值時(shí)，電脈沖呈現(xiàn)非線性，除此之外電脈沖都為線性。從載流子的散射機(jī)制和空間電荷高場(chǎng)區(qū)的形成過(guò)程，解釋了光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)非線性工作模式存在電場(chǎng)閾值和光能閾值的物理本質(zhì)：存在電場(chǎng)閾值的實(shí)質(zhì)是，偏置電場(chǎng)要高于耿氏電場(chǎng)才能使載流子能夠從電場(chǎng)中獲得足夠的能量發(fā)生低能谷向高能