THz调研11.21幻灯片.ppt

从小型化和高效率而言，半导体激光器是实验室和实际应用中理想的光源．普通半导体激光器—带间跃迁—中远红外到太赫兹波段，要求禁带宽度12mev左右—一般半导体材料禁带宽度不会这么小-载流子带内跃迁。例如P型Ge（空穴从轻空穴带向低能重空穴能带跃迁）然而这样的激光器要产生激光发射，普通泵浦方式不行，需要极强的电磁脉冲（高于kW/cm3）来激发，导致其功率难以做大；带间跃迁—容易热扰动-为避免声子散射，必须使用液氦冷却激光器，所以其需要在超低温条件下运转。 //（P型Ge的空穴能带分为轻空穴和重空穴带，互相垂直的电场和磁场先将Ge的重空穴泵浦到高能态，然后空穴将由重空穴能带弛豫到轻空穴能带，处于轻空穴能带的空穴向低能重空穴能带跃迁，形成太赫兹辐射。在有合适谐振腔和足够泵浦能量的条件下，就会形成太赫兹激光。） * 量子级联激光器是 能够发射中红外，远红外，太赫兹波段的半导体激光器 不同于传统的半导体激光器通过带间跃迁，电子与空穴穿过材料禁带复合发光，QCL是单极性器件，即只有电子参与发光 可以发出远红外以至到太赫兹波段的激光 结合图：一个区周期有两个区域，这个周期性结构重复排列，就是级联，所以一个电子可以不停的跃迁，反复的释放光子 存在问题：3-?1或者向2跃迁的几率的大小？如何维持粒子数反转，将下能级的电子快速抽走，以及合理的周期数都是需要考虑的，比如明显周期越多，电子释放光子次数越多，但是所需要的偏压会增大，若依烧毁器件。 那么，结合这些问题，有了以下几种设计 * 首先大体的设计思路， 是要保证粒子数反转，进行放大，那么就围绕着快速抽取和有效注入展开设计。 共振声子结构是2003年由MIT的博士Williams提出来（仔细看一下纵光学声子的含义） 回想固体物理学过的知识：晶体—格波—声学波/光学波—声学波（声学声子）频率较低（动量交换）光学波（光学声子）频率较高（能量交换）光学波—纵/横光学波 GaAs/GaAlAs为例，上激发能级2/注入能级被设计成比上个周期的下激发能级1低大约36mev，与纵光学声子能量相近，因此电子在发生了辐射跃迁后，很容易被散射释放一个纵光学声子，从1能级跃迁到下个周期的2能级。这也是共振声子结构名字的原因。可以利用光学声子（声子散射），将下能级的粒子快速抽取到更低能级上，这称作depopulation的机制 //a.1—2太赫兹能级特别近，所以抽取1的能级很大概率会把2同时抽取，所以放在了另一个势阱内进行，减小该阱内2能级的耦合 b.为什么能防止热反注入？ 下激射能级和基态之间差大约36mv，画圈的地方 ，如果下激射能级和基态很远，注入的能级上的电子的热反注入就会减小，提高有效注入率，也可以改善温度性能。 //但是面临更高温度就有了挑战： //低温下本来2-1能级间的能量差小于光学声子，这两能级之间的热弛豫机理会被抑制，但温度升高后，会激活这个过程，使其发射光学声子而驰豫到低能级子带上，随着温度增长，这样会以指数形式减少上激射能//级的寿命，从而降低了增益以致最后截止 //这是四阱结构的，还有三量子阱结构，是由中国的刘惠春教授发明的，三阱结构，中间去掉一个势垒，注入和声子辅助在同一阱的结构，这种结构可以实现更大的功率。 关于这种结构的关键词就是，声子辅助 * 对比这三种结构的特点 1.理由同前所述 （CPW） 3.1THz，15K，阈值电流270A/cm2，连续波长工作模式下最高温度65K 在流动的液氮中测量功率， * 以超快激光技术和非线性光学晶体为基础， * 光电导天线：用光子能量大于半导体禁带宽度的超短脉冲激光照射半导体材料,使半导体材料中产生电子-空穴对,在外加偏置电场中产生载流子的瞬态输运,随时间变化的瞬态光电流的变化,便会发射太赫兹电磁辐射。由于辐射的能量主要来自天线上所加的偏置电场,可以通过调节外加电场的大小来获得能量较高的太赫兹波。 利用此方法已经获得了平均功率为 0.4m W 的 THz 辐射功率和 0.3-20THz 的超宽辐射带宽 * 光整流是广泛使用的产生太赫兹辐射的方法之一。所谓光整流效应指当一束高强度的单色激光在非线性介质中传播时,它会在介质内部通过差频振荡效应激发一个恒定的电极化场的现象。,这种低频电极化场可以辐射直到太赫兹的低频电磁波。这样可以利用飞秒激光脉冲和非线性介质相互作用而产生低频电极化场，辐射出太赫兹波。在远场近似下, 太赫兹电场强度与极化场对时间的二阶偏成正比 * 一般方法：加速电子，使电子产生高能，然后让电子振荡辐射太赫兹波 如反波管：周期性减速系统使高速电子产生振荡 现有手段等可以将电子加速到很大的速度，所以功率很高 * 太赫兹自由电子激光器：在自由电子激光器中将电子从原子中剥离出来