太赫兹电子器件研究报告

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1、太赫兹电子器件研究报告1＞定义与概念太赫兹(Terahertz,简称THz)是扌旨频率在0.1THz-10THz(1THz=1012Hz),波长在3mm〜30“m范围内的电磁波，波段介于微波与远红外光之间，如图1所示。THz波的长波段与亚毫米波重合，其发展主要依靠电子学技术；短波段与红外线重合，发展主要依靠光子学技术。THz波的位置正好处于宏观经经典理论向微观量子理论的过渡区，也是电子学向光子学过过渡领域，它是最后一个人类尚未完全认知和利用的频段[1]。ClassicaltransportTHzGapQuantumtransitionmicrowavesIvisiblex-

2、rayy-ray-i1•.--i1i亠»IiIiIIr10°10310®1(P10^21015101810211024HzdekilomegagigaterapetaexazettayottaFrequency(Hz)图1太赫兹在电磁波谱中的位置20世纪90年代以前，由于缺乏有效的THz源及检测技术，致使人们对THz波段的认知非常有限，使得THz波成为电磁波谱上的空隙。近十几年来，激光技术的迅速发展为THz波的产生提供了稳定、可靠的激发光源，THz波检测技术及其应用的研究也得到了蓬勃的发展[2]o相比于传统的电磁波和光波，THz脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但可以方便的进行时

3、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[3]；THz脉冲源通常包括若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从吉赫兹至几十太赫兹的范围；由于它是由相干电流驱动的偶极子振荡产生的，或是由相干的激光脉冲通过非线性光学频率差频产生，因此有着很好的相干性；此外，THz光子的能量只有10-3eV,不易破坏被检测的物质，适合于生物大分子与活性物质结构的研究；而且，THz辐射具有很好的穿透性，它能以很小的衰减穿透物质，如烟尘、墙壁、碳板、布料及陶瓷等，在环境控制与国家安全方面能有效发挥作用。2、太赫兹电子器件的国内外研究水平及其工作原理在太赫兹技耒及应用中

4、，太赫兹辐弓寸源研究是太赫兹技术发展的重要环节，有多种方法都可产生THz辐射，主要包括以下几类[4,5]:（1）半导体THz源，如采用量子级联半导体激光器可直接产生THz源。半导体THz源具有小巧、价格低廉和频率可调的特点，是人们希望的一种THz源，但这类技术的THz源中，大部分需要器件的制冷且输出的功率较小，并且要把频率延伸到THz也是件难事；（2）基于光子学的THz发生器，如利用超短激光脉冲去激发太赫兹辐射源也是产生脉冲太赫兹辐射的主要方法，常用的激光激发技术有光导和光整流技术。但目前来说，这些方法的转换效率都很低，太赫兹光束的平均功率只有微瓦的数量级；（3）基于真空电

5、子学的THz辐射源，如自由电子激光器，电子回旋管、返波管BWO等，这类技术产生的太赫兹源具有输出功率高，可在常温下工作等优点。随着THz科学技术的迅速发展，对于THz辐射源在大功率方面的要求日益增强。对于远距离成像和非破坏高穿透波谱研究等，需要可调或宽带瓦级以上功率输出的THz辐射源。太赫兹与物质的非线性作用，探测物质内部由高功率太赫兹激起的非线性现象等需要大功率THz辐射源。到目前为止，仅真空电子学和等离子体电子学的方法可以产生高功率太赫兹辐射。因此，真空电子器件在THz辐射源方面可能做出很重要的贡献。近年来太赫兹科学技术的发展推动了太赫兹波段的真空电子器件迅速发展并取得

6、了重要的成果。1.太赫兹自由电子激光自由电子激光（FEL）的工作波长可以从mm波到x射线，覆盖了整个太赫兹波段，而且通过调节电子束的能量实现输岀波长连续可调，可以产生高脉冲功率或高平均功率的激光。图2是自由电子激光工作原理的示意图，它由电子束注入器（电子加速器）、具有横向空间周期结构的磁摇摆器和谐振腔3部分组成。从加速器输出的高能电子通过磁摇摆器时，受到静磁场作用而产生横向摆动。横向速度的变化又通过与电磁波的横向磁场分量作用而产生纵向力（称为有质动力势），使原来纵向均匀分布的电子群聚成团，产生相干辐射的增长。加速器摇從堆场电子枪电子收集器ffi2FELI作原理示意图自由电子

7、激光产生THz辐射成为FEL的一个重要发展方向，目前世界上已建成多台太赫兹波段的自由电子激光器，并且有的已经处于使用阶段。美国加利福尼亚大学研制利用1MeV静电加速器产生的自由电子激光(UCSB-FEL,它是太赫波段自由电子激光最重要成果之一，该装置在准连续波模式下运行，提供在太赫兹波段可调谐的相干辐射，工作频率120GHz〜4.8THz（波长2.5mm60“m),输出功率从500W〜5该装置采用连续波能量回收直2MV,电流20mA,产生功率kW,脉冲宽度1〜20仏s重复频率1Hzo俄罗斯在新西伯利亚建造了THz-