PDF《飞秒激光触发光电导天线产生太赫兹波的研究》

膏a叶技2010年第23卷第3期Electronic Sci.

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Teck/Mar.15.2010 飞秒激光触发光电导天线产生太赫兹波的研究 肖健1,高爱华1'

2 (1.西北大学物理学系,陕西西安710069;

2.西安理工大学应用物理系,陕西西安710048) 摘要研究了光电导天线产生太赫兹波的辐射特性,利用麦克斯韦方程及其边界条件,计算了近远场的电场强度: 采用电磁波时域有限差分方法(FDTD),在Matlab系统软件中,用c语言编写程序计算光电导偶极天线的辐射太赫兹波的空 间电磁场分布,并在计算机上以伪彩色图形显示,这种电磁场的可视化结果为天线的设计和改进提供了直观的物理依据. 关键词Tm波;

光电导天线;

时域有限差分法 中图分类号0434.3 文献标识码A 文章编号1007―7820(2010)03一(D7―03 Investigation of Generation of Terahertz with the Photoconductor Triggered by the Femo―Second Laser Pulse Xiao Jianl,Gao Aihual'

2 (1.Department of Physics,Northwest University,Xi'

an

7 10069,China;

2.Department of Applied Physics,)【i'

蹰University of Technology,Xi'

an 710048,China) Abstract The terahertz(THz)radiation properties of the photoconductive antenna(PCA)are studied in order to improve the THz radiation efficiency.MaxweU'

s equations and boundary conditions啪adopted to calculate the field intensity of the near or far field.Using the finite―difference time―domain electromagnetic method and C language program in the matlab software,the spatial electromagnetic field distribution radiation of photoconductive dipole an― tenna is calculated and displayed on the computer in a pseudo―color graph.7nle visualization of the electromagnetic field provides a physical basis for the intuitive design and improvement of the antenna. Keywords terahertz wave;

photoconductive antenna;

FDTD 太赫兹波是指波长范围为3岬一3 mill(0.1~

10 Trlz)之间的电磁辐射,其波段位于微波和红外光 之间.随着超快激光技术和低尺度半导体技术的发 展,使THz电磁波的产生技术,THz辐射机理的研 究,THz检测技术和应用技术得到迅速的发展.目前,产生脉冲THz辐射的方法主要有两种:光电导 天线产生THz电磁波和光整流产生THz.前者是利用 飞秒激光脉冲触发直流偏置下的光电导体,通过相干 电流驱动偶极天线产生太赫兹辐射…;

光整流是一种 非线性效应,是用飞秒激光脉冲和非线性介质 (LiNb03,LiTa03,ZnTe等)相互作用产生低频极化 场也可以辐射出THz电磁波.近年来,国内外有不 少关于光电导天线产生T14z电磁波的文献报道. Darrow等口1对光电导天线产生太赫兹波的理论进行了 详细的解释,并且对砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)作 收稿日期:2009.09.15 基金项目:西北大学研究生创新教育基金资助项目(08YSY05;

08YZZ40) 为光电导天线的基质材料产生太赫兹辐射进行了对 比.Hattori等 o研究了大孔径光电导天线产生太赫兹 波的时间特性,考虑了半导体载流子寿命和弛豫时间 对太赫兹辐射的影响.大孔径光电导天线在强激光脉 冲的照射下会产生饱和现象,Darrow等H,51等分别进 行了理论模拟,得出了半导体表面的辐射电场对偏置 电场的屏蔽效应是产生饱和现象的主要原因.施卫№1 等对半绝缘砷化镓(GaAs)天线产生太赫兹波的辐射 特性进行了相关研究. 在国内外研究的基础上,对光电导天线产生太赫 兹波的微观机制进行理论分析和计算,用麦克斯韦方 程及其边界条件计算了光电导体的表面电流和近远场 的辐射电场,通过计算可以看出近场条件下太赫兹波 的辐射强度正比于表面电流,远场条件下太赫兹波的 辐射强度正比于触发光脉冲的宽度、功率和偏置电场 的强度.对于理论分析的结果,采用时域有限差分方 法(FDTD)计算了光电导天线的辐射特性.

1 光电导偶极天线结构和理论分析 作者简介:肖健(1983一).男.硕士研究生.研究方向:太1.1 光电导偶极天线结构 赫兹波. 半绝缘GaAs材料具有优良的光电性能,是制作

7 万方数据 肖健,等:飞秒激光触发光电导天线产生太赫兹波的研究 光电导天线很理想的基底材料GaAs材料的电阻率可 以达到107~108,击穿强度为250 kV/cm;

文中以半 绝缘GaAs材料制成光电导偶极天线的芯片材料为 例.介绍了光电导天线的结构和尺寸参数,给出直观 的示意图.半绝缘GaAs材料暗态电阻率P=5*

107 llcm,载流子的浓度为rt一1014 cm~,载流子的 迁移率为弘>

5

500 em2/(Vs),芯片的厚度为 0.6 lllnl,外形尺寸为6.0 lnill x9.0 mm;

用电子柬蒸 渡工艺淀积厚度为900 nln的Au/Ge/Ni合金电极(条 形天线),经过退火处理与GaAs芯片材料形成欧姆 接触,电极尺寸为6 rain*3 mm,圆角半径为 1.1 mm,两电极间隙为3 mm;

绝缘保护层采用Si3N. 薄膜材料,其结构如图1所示∞J. 图l条形结构GaAs偶极天线示意图 1.2理论分析 利用GaAs光电导天线产生太赫兹波的理论分析 采用 电流源瞬冲模型 ],'

.该模型分析认为,光电 导体辐射的rIHz波是光电导体表面的瞬变电流激发 产生.根据Maxwell方程,表面电流^(t)表示为 ^(f)=or,(￡)(瓯+E(t)) (1) 其中,or.为时域表面电导;

E.为偏置电场,E(t)为 光电导体表面辐射电场.由Maxwell方程的边界条件 可以得到L(t)与E(t)之间的关系式 E,(￡)=一?2) 1'

0s 这里‰表示空气的阻抗,其大小为377;

占为光电导 体相对介电常数.进而可以得到表面辐射场与偏置电 场之间的关系式 E㈤一忑‰t 既(3) 叼.盯,t,+t i+√F, 在远场的情况下,假设是沿着光电导体的轴线探 测THz波辐射场,此时的THz辐射场可以表示为 Er-far∽一一面1・Az.知∽(4) 其中,A是光电导体电极间隙的光照面积;

z表示辐 射中心到观察点之间的距离. 根据以上的理论分析可以知,在近场条件下THz 波的辐射强度正比于表面瞬态电流;

在远场条件下 THz电磁波强度决定于触发光脉冲的强度.另外,光 电导体的偶极芯片是产生THz的电极,同时又具有 发射天线的作用,可以通过设计不同金属天线的形状 和结构,提高天线的辐射效率.

2 电磁波时域有限差分方法(FDTD) 2.1 FDTD方程 时域有限差分法主要思想是把Maxwell方程在空 间和时间上离散化,用中心差商的形式代替连续微 商,用差分方程代替一阶微分方程,在时间轴上逐步 推进求解,以电场为例给出方程 ∥㈣l川㈡=然E(i+1/2㈡后)+i蒜 r理(i+1/2,.『+1/2,七)一Z(i+1/2,.『一1/2,后)1 I―――――矿――一l l刀;

(i+1/2,,

,k+1/2)一嵋(i+1/2,J,k一1/2)I L一―弋云―――――――一j (5) 其中,岛表示真空中的介电常数;

/1,o表示真空中的 磁导率. 对于磁场有类似的形式,只是系数部分会有所不 同,将电场公式中的电导率换成磁导率、介电常数换 成磁导系数就可以得到磁场的FDTD方程. 2.2吸收边界条件 常用的吸收边界条件包括Mur吸收边界条件和完 全匹配层(PML)吸收边界条件,Mur吸收边界条件适 用于计算机性能较差和计算精度不高的情况下,PML 吸收边界条件对计算机的要求比较高,计算精度较 高.文中采用PML吸收边界条件. PML吸收边界条件是由特殊的各向异性材料组 成,完全匹配层为有耗介质,进入PML层的透射波 将迅速衰减,它对于入射波有较好的吸收效果.在FDTD边界外部构造一层虚拟的损耗媒质,使得在各 个方向上的入射波在边界上的反射很小,甚至为零. 1994年Beernger以此思想构造了一种非物理的吸收 媒质,与FDTD网格外部边界相连,其波阻抗具有与 外向散射波的入射角和频率均无关.以二维TE情况 为例,在PML介质中,Beemger为了引入规定损耗的 新自由度,将皿分裂为两个分量也和取,且致= 也+以.进而将Maxwell方程改写为 万方数据 肖健,等:飞秒激光触发光电导天线产生太赫兹波的研究 ‰鲁坞耻掣 (6) ‰鲁帆弘掣 (7) Po警4-O x'

巩=一警 ㈩ i 爿 2一i (基'

风警+一如=一堕0y (9) 盯和∥'

分别表示自由空间中的电导率和导磁率.当 时矿,=矿,=一=矿,,

式(6)就退化为自由空间中的 Maxwell方程,所以可以认为上式描述了一种普遍的 情况,自由空间是其中一个特例,在不同条件下的具 体推导公式可参阅文献[8]. 2.3 用Matlab程序计算光电导天线辐射特性 (1)编程中参数的选取.为了保证解的稳定性和 收敛性,离散网格边长取血=y=&

=6=A/12;

时 间步长取At=8/2c,其中,c为自由空间的光速,以0.1 THz的电磁波为例,石方向取1.5 cm,Y,z的取 值与戈相同;

(2)设置激励源.在计算中采用微分形式的高斯 脉冲激励源进行模拟计算E.(t)=!旦exp f一尘掣1,其中.7为常数,决定了高斯脉冲 的宽度5 (3)编写Matlab程序进行计算.用C语言编写 计算程序,在Maflab7.0软件中计算,硬件配置为酷 睿单核I.6 GHz,内存1 GB,运行时间约为2分20 秒,计算结果如图2所示. 用Matlab计算的光电导天线天线的辐射特性图, 如图2所示,从图形可以看出天线复变辐射的电磁场 分布,可以加深对天线的工作原理的理解,为进一步 改进天线的结构提供了物理依据,最终实现提高光电 导天线辐射太赫兹波的功率和效率.

3 结束语 通过对光电导天线的理论分析与计算,利用FDTD 方法对天线的辐射特性进行了分析,通过建模仿真编 写Madab程序进行具体计算,可以直观看到天线的辐 射图形.从以上的结果分析可以看出,FDTD方法在电 磁场数值计算中是一种比较实用可行的办法.利用 Madab进行仿真运算,可以更加准确形象的理解场的 迭代和在边界区域的吸收情况.在应用FDTD方法时 需要注意:在编程的过程中,网格的划分具有重要的 图2光电导天线的辐射特性图 作用,一定要慎重处理;

另外一个重要的因素是对激 励源的模拟,选择合适的的激励源形式以及用适当的 方法将激励源加入到FDTD迭代计算中. 参考文献 [1]Dl-agoulan D,Drag咖an M.Terahertz Fields and Applica- tio........