基于钛酸锶钡等铁电材料的太赫兹波调制特性研究-物理电子学专业论文.docxVIP

目 录 第一章 绪论 1 1.1 太赫兹波及其特性简介1 1.2 基于光子学方法的几种太赫兹波源2 1.3 太赫兹波探测技术4 1.4 太赫兹时域光谱技术简介5 1.5 本文主要研究内容6 第二章 基于钛酸锶钡铁电陶瓷的太赫兹波光调制研究 7 2.1 铁电材料及其基本性质简介7 2.2 实验方法 10 2.3 钛酸锶钡陶瓷简介及制备12 2.4 实验结果与分析13 2.5 X 射线光电子能谱简介 18 2.6 物理机制分析19 2.7 本章小结 22 第三章 基于铁电晶体的太赫兹波光调制研究 24 3.1 钽酸钾晶体中的光调制研究24 3.2 钛酸锶与掺铁钛酸锶晶体中的光调制研究 27 3.3 本章小结 34 第四章 基于钛酸锶钡薄膜的太赫兹电控超材料研究 35 4.1 超材料简介 35 4.2 太赫兹电控超材料36 4.3 理论分析 37 4.4 材料设计以及模拟结果38 4.5 本章小结 41 第五章 总结与展望43 参考文献 45 发表论文和参加科研情况说明47 致 谢 48 第一章 第一章 绪论 PAGE PAGE 10 第一章 绪论 1.1 太赫兹波及其特性简介 太赫兹（terahertz,THz）波是指频率在 0.1～10 THz 范围内的电磁波。如图 1-1 所示[1]，太赫兹波这一研究领域处于电子学与光子学之间的过渡区域。在二 十世纪八十年代以前，由于各种技术手段的限制，很少有研究涉及这一频段的电 磁波，因而这一区域被称为太赫兹空隙（terahertz gap）。直到近二十年来，随 着超快激光等技术的发展，太赫兹波的产生和探测设备日趋成熟，太赫兹波及其 相关研究逐渐成为国内外热点。 图 1-1 太赫兹波在电磁波谱中的位置 相比于其他频段的电磁波，太赫兹波具有一系列独特的性质[2],其中包括： （1）太赫兹波光子能量（1THz 约 4meV）低于各种化学键的结合能，因而 不会对人体或其他生物组织产生光致电离作用。 （2）大量的分子（包括一些生物大分子、爆炸物、毒品分子）振动和转动 的跃迁频率大都处于太赫兹波段，因而对于太赫兹波表现出显著的吸收和谐振。 （3）太赫兹波对于许多非金属和非极性材料（如陶瓷、脂肪、布料、塑料） 显示出很强的穿透性，因而可对于可见光波段不透明的物质进行透视成像。 （4）相比于微波，太赫兹波具有更高的带宽、更快的无线通信的传输速度 以及极高的方向性，因而有望应用于高容量短距离的无线通信。 这些特性使得 THz 波在许多的领域的应用中有着很好的应用前景。但是， THz 技术在相应领域的应用依然受到许多因素的制约。比如，太赫兹波不能穿透 金属包括金属在内的许多导电材料，这限制了太赫兹波在成像中的应用；目前仍 然缺少高功率的太赫兹源。想要真正实现太赫兹技术在上述领域的广泛应用，这 些问题仍有待解决。 1.2 基于光子学方法的几种太赫兹波源 目前，常见的太赫兹波源一般来说主要可以分为四种基本的类型: 半导体太 赫兹波源；基于自由电子方法产生太赫兹的太赫兹波源；基于高能加速器的太赫 兹源；基于光子学的太赫兹波源(如光混频等)[3]。这里主要介绍几种基于光子学 方法的太赫兹源[4]，其中包括： （1）光泵浦太赫兹气体激光器 太赫兹气体激光器问世于上世纪七十年代，如图 1-2 所示[5]，太赫兹气体激 光器的泵浦源为可调谐的二氧化碳激光器。通过二氧化碳激光器产生的激光激发 谐振腔内的气体，从而辐射出太赫兹波。目前，美国 Coherent-DEOS 公司已研制 出 SIFIR-50 太赫兹气体激光器，输出频率范围为从 0.3THz 到 7THz 的频率范围 内，平均的输出功率为五十毫瓦。太赫兹气体激光器作为常用的太赫兹源有着许 多的优点，包括光束质量较好、输出功率较高等，并且可以在连续或脉冲方式下 工作。但同时他的一些缺点也限制了其应用，比如：能量转化效率低（低于 1%）、 不能连续调谐、激光器体积庞大等。 图 1-2 太赫兹气体激光器原理图 （2）空气等离子体太赫兹源 1993 年 Hamster.H 等人提出了在空气中直接产生太赫兹波波方法[6]：通过一 个透镜将激光脉冲在空气中聚焦，使焦点出处的空气正负电荷分离，变为等离子 体，同时辐射出太赫兹波。基于这种方法，2010 年，T. J. Wang 等人利用飞秒激 光器的双色激光输出产生了能量超过 250μJ 的太赫兹脉冲[7]。 （3）光导天线产生太赫兹 如图 1-3 所示[10]，该方法是利用超短激光脉冲激发光电导材料，在其内部产 生电子-空穴对[