电光取样材料性能对THz光谱探测的影响

论文摘要

理想情况下,通过电光取样直接测量得到的太赫兹（THz）信号就代表了THz脉冲的原始波形。然而,在实验中观察到的THz信号经常会发生变形。这种变形可能是由诸多因素造成的,一个因素是电光取样过程中相位失配造成的影响,另一个因素是THz脉冲在激发晶体和电光取样晶体中传播时色散和晶体界面反射造成的影响。另外,水蒸气的吸收也可以导致THz脉冲波形的改变。本论文主要研究电光晶体的性能对于THz脉冲探测的影响,这些电光晶体的性能主要包括:横光学声子频率,介电常数,折射率,吸收系数等。由于探测晶体本身性能的限制,使得其探测能力受到了很大的影响。我们常用到的ZnTe晶体横光学声子频率在5.3THz处,靠近这个频率的THz脉冲成分由于共振吸收而衰解,因此其可探测的最大频率范围被限制在0-5THz。在国外,用GaP晶体代替ZnTe晶体,可使其可探测频率范围扩展到0-7 THz。本论文根据THz脉冲与电光晶体相互作用的基本理论,通过用Matlab编程计算模拟了电光晶体性能对THz脉冲探测的影响。这项研究有助于THz初始脉冲的重建和探测晶体的选择。另外,对于飞秒超快动力学的研究有助于对THz产生过程的深层了解。载流子寿命是影响THz脉冲频谱宽度的重要原因之一,通过对载流子寿命的测量可以从一个侧面了解THz辐射的谱宽特性。本论文完成了如下研究工作:（1）根据相关理论用Matlab程序模拟了THz脉冲在介质中的传播特性。THz脉冲在介质中色散特性、THz脉冲在晶体界面的反射以及探测脉冲与THz脉冲的相位匹配会对THz脉冲波形产生影响。这些影响已在实验中观察到,通过理论上加以解释和模拟,能够使我们对THz脉冲波形的变化得以深刻地理解和修正。本文得到的一些结果包括:THz脉冲在介质中的色散特性会导致THz脉冲中的高频部分被吸收;THz脉冲晶体表面的反射会导致THz脉冲中的高频分量被反射;相位匹配会影响探测到的THz脉冲波形。（2）模拟了不同晶体对于高频THz脉冲的探测特性。我们发现晶体中的横光学声子频率是影响晶体探测性能的一个重要参数,当THz脉冲的频率分布靠近探测晶体中的横光学声子频率时,由于太赫兹波与晶体横光学声子发生共振而被吸收,使得探测到的THz频谱在横光学声子频率处出现凹陷。通过模拟我们发现,横光学声子频率较高的晶体,如GaP晶体等,对于高频THz脉冲的探测性能会较高。（3）研究了飞秒脉冲激发THz脉冲的超快过程所涉及的物理机制;搭建了测量载流子寿命的装置,得到了半绝缘GaAs的载流子寿命,这一工作对于选择THz发射极材料具有重要的参考价值。在测量过程中我们发现,当泵浦脉冲的强度和探测脉冲的强度为10:1时,测量效果会较好。我们所测得的半绝缘GaAs载流子寿命在0.5ps-0.6ps之间,同样的我们可以研究其它半导体材料的载流子动力学,从而对选择THz发射极材料提供指导。综上所述,本文考虑了影响THz脉冲探测的各个因素,通过理论分析和数值模拟,说明了这些因素对THz脉冲的探测所造成的影响。我们发现,晶体中的横光学声子频率是影响探测晶体性能的一个重要参数,横光学声子频率较高的晶体,如GaP晶体等,可以用于探测包含更高频率成分的宽带THz脉冲。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 论文的研究背景
• 1.2 THz 辐射的产生
• 1.2.1 光导激发机制
• 1.2.2 光整流效应
• 1.2.3 半导体表面场效应
• 1.3 THz 辐射的探测
• 1.4 THz 探测晶体的国内外研究现状
• 1.5 载流子寿命的研究意义
• 1.6 本论文的主要工作及其意义
• 第二章 探测晶体性能对THz 探测的影响
• 2.1 物理机制及相关公式介绍
• 2.2 色散影响
• 2.3 反射造成的影响
• 2.4 探测脉冲对THz 脉冲波形的影响
• 2.4.1 探测脉冲持续时间对光谱探测的影响
• 2.4.2 探测脉冲的强度对探测的影响
• 2.5 本章总结
• 第三章 高频THz 脉冲的探测
• 3.1 不同探测晶体探测性能的研究
• 3.1.1 ZnTe 晶体与GaP 晶体探测性能的比较
• 3.1.2 GaAs 晶体探测性能的模拟
• 3.1.3 InP 晶体探测性能的模拟
• 3.2 几种探测晶体高频探测能力的比较
• 3.3 本章小节
• 第四章 对于载流子寿命的研究
• 4.1 载流子寿命概述
• 4.2 载流子超快动力学过程
• 4.3 与THz 脉冲产生相关的超快过程
• 4.4 实验装置
• 4.5 实验结果及分析
• 4.6 本章小节
• 第五章 结论
• 参考文献
• 在校期间发表学术论文情况
• 致谢