波导内置硅块对高功率太赫兹脉冲的响应

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1、第25卷第2期强激光与粒子束Vo1．25。No．22013年2月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSFeb．，2013文章编号：lOOl一4322(2013)o2—0455—06波导内置硅块对高功率太赫兹脉冲的响应王雪锋。，王建国。，王光强，童长江，李爽，李勇(1．话北核技术研究所，西安710024；2．解放军63655部队，乌鲁木齐841700；3．西安交通大学电子与信0,I程学院，西安710049)摘要：利用三维电磁场时域有限差分法，对0．3～O．4THz高功率太赫兹脉冲作用下置于矩形波导内部宽边中心的n型硅块响应规律进行

2、了研究。通过对置人硅块前后矩形波导内电磁场分布、电压驻波比及硅块内平均电场的模拟分析，得出硅块几何尺寸和电阻率对上述物理量的响应规律，硅块长、宽、高和电阻率均会对波导内电压驻波系数产生影响，其中以高度影响最为明显；硅块内平均电场在低频段和高频段单调性不一致。最后，在优化硅块长、宽、高及电阻率的基础上，给出了一种可用于该频段高功率太赫兹脉冲直接测量的电阻探测器芯片设计方案，其相对灵敏度约为0．509kw_。，幅度波动不超过14％，电压驻波比不大于1．34。关键词：高功率；太赫兹；矩形波导；电阻探测器；测量中图分类号：O441．6；O473文献标志码：A

3、doi：10．3788／HPLPB2Ol325O2．0455太赫兹波是频率位于0．1～10THz之间的电磁波，随着近年来源和测量技术的快速发展，得到广泛应用_1]。相对于当前应用最多的低功率太赫兹源，高功率脉冲源则因其功率高和传播远等特点越来越受到通信和雷达等领域的关注，如自由电子激光器、回旋管和相对论切伦科夫器件等]。由于高功率太赫兹脉冲具有峰值功率高(通常在1Mw以上)和脉冲时间短(通常为ns级甚至更短)的特点，对其功率(尤其是峰值功率)实现准确测量是一个很困难的问题。目前，高功率太赫兹脉冲功率测量主要有量热法和二极管检波法瞳]。量热法依据待测脉

4、冲的能量积累实现功率测量，对于非矩形脉冲和高功率低能量脉冲测量存在局限性；二极管检波法将衰减后的高功率脉冲转换为直流信号进行测量，因二极管承受功率限制而引入的大衰减对测量结果精度和测量系统复杂程度均有一定影响[3]。在0．3～0．4THz这一典型的大气窗口，克服现有高功率太赫兹脉冲测量方法不足并开展新测量技术研究，对高功率太赫兹技术进一步发展具有重要推动意义。硅块对高功率太赫兹脉冲作用的响应规律研究结果将应用于一种探测器设计，这种探测器在微波波段被称为电阻探测器口]，依据强电场作用下半导体内热载流子效应引起的半导体电阻变化原理实现功率测量。这种探测器

5、目前已成功应用于微波波段L4]，并在w及D波段展开了相应研究[6]，但在更高频段的研究在国内外则尚未展开。与二极管检波器相比，它具有可直接测量高功率脉冲而无需引入大衰减，能较大地提高测量精度的优势。本文在研究矩形波导内置n型硅块对0．3～0．4THz高功率脉冲作用响应的基础上，设计出一种可直接用于该类信号测量的电阻探测器芯片设计方案，并给出了基本工作参数。1研究模型和方法1．1研究模型高功率太赫兹脉冲作用下，12型硅块中电子从电场中获得很大能量，速度大于热平衡时的速度，平均自由时间减小，迁移率降低，引起硅块电阻变化，这一现象称为热载流子效应L9]。电

6、阻探测器以测量硅块这种电阻变化为手段实现功率测量，其主要指标有工作频段、电压驻波比(VSWR)和相对灵敏度等。在0．3～0．4THz频段开展的n型硅块响应研究模型，即为一种电阻探测器。图1为n型硅块响应研究模型整体结构，n型硅块(即探测器探测芯片)置于矩形波导宽边中心，为矩形波导长度，口和b分别为矩形波导内横截面的边长和边宽，z，2和h分别为探测芯片长、宽和高。考虑到研究频段和矩形波导单模传输条件『】，选取的矩形波导型号为WR2．8，内横截面0．7112mm×0．3556mm。探测芯片横截面如图2所示，两个硅块独立，中间为窄缝，顶部以金属薄层短路，底

7、部一端与波导壁短路，另一*收稿日期：2012—09—18；修订日期：2012—11_O6基金项目：国家自然科学基金重点项目(61231003)作者简介：王雪锋(1979一)，男，博士研究生，工程师，主要从事微波、太赫兹波的产生与测量研究；7009725@qq．com。456强激光与粒子束第25卷端与波导壁绝缘并通过同轴线与外界相连，用于提供电源和测量信号输出。layerFig．1LayoutofsensormodelFig．2Crosssectionofsensingelement图1探测器模型整体结构图2探测芯片横截面根据热载流子效应机理，探测芯片

8、电阻相对变化率AR／R在数值上表征了通过波导的太赫兹脉冲功率P，即AR／R越大，P越大，定义探测器相对灵敏度