[發明專利]基于半導體超短脈沖激光器的太赫茲源設備

無效

• 申請號: 201310280782.4
• 申請日: 2013-07-05
• 公開（公告）號: CN103368042A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發明（設計）人: 倪海橋;丁穎;徐應強;李密鋒;喻穎;査國偉;徐建新;牛智川
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: H01S1/02
• 分類號: H01S1/02
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 宋焰琴

技術領域

本發明涉及太赫茲(THz)光譜技術領域，特別是涉及一種基于半導體超短脈沖激光器的太赫茲源設備。

背景技術

太赫茲(THz)波通常是指頻率在0.1～10THz(波長介于微波與紅外波之間的0.03～3毫米范圍)的電磁波，直到上世紀80年代中期以前，人們對這個頻段的電磁波特性知之甚少，形成了遠紅外線和毫米波之間所謂的“太赫茲空隙”，對THz波段廣泛的研究興趣還是在20世紀80年代中期以超快光電子學為基礎的脈沖THz技術產生以后。近20年來，隨著低尺度半導體技術、超快激光技術以及超快光電子技術的飛速發展，THz技術表現出了極大的應用潛力。開發THz波技術將對寬帶通信、雷達探測、電子對抗、電磁武器、天文學、無標記基因檢查、細胞成像、無損檢測、生化物檢查、糧食選種，菌種優選等多領域的技術發展帶來深遠影響。

THz在上述領域具有非常廣闊的應用前景，但是至今THz技術終究沒有大規模走出實驗室，進入人類的生產生活，主要原因是由于在高于100GHz的頻率上，傳輸元件和介質的損耗急劇增大，無線電接收裝置的靈敏度降低，有效產生振蕩的困難程度增加，對工作儀器和微波傳輸系統元件的制造精度要求提高，從而使得THz波在發射、傳播和探測等方面還有一些關鍵問題沒有得到圓滿解決，這些問題阻礙了這種有價值的技術走向實際應用，所以在這些領域的每一項突破性研究成果都會將THz技術的轉化推進一大步。而追根朔源，THz技術的龍頭牽引力量依舊是THz波源技術，高效輻射技術的缺乏嚴重阻礙了各種相關研究的進一步深入，有必要集中力量解決THz波產生的關鍵問題。

高效率的THz輻射源是實現THz-TDS技術、THz診斷、THz成像、THz雷達和THz通信等技術的關鍵。但常見的THz輻射源，還存在一些關鍵問題有待于解決。

利用電子器件產生THz輻射是一種常見的THz輻射源，包括耿式(Gunn)振蕩器，布洛赫(Bloch)振蕩器、回波振蕩器(BWO)、冷等離子體等，這類發射器利用電子基頻振蕩來實現THz輸出，體積較小，結構緊湊，造價較低，但是由于產生于電子振蕩，其輸出頻率基本都在幾百GHz以內，且輸出頻帶窄，輻射功率低，不能滿足高頻段的應用需求。(參見文獻：H.Eisele，“Recent?advances?in?the?performance?ofInP?Gunn?devices?and?GaAs?TUNNETT?diodes?forthe?100-300GHz?frequency?range?and?above”，IEEETrans.on?Microwave?Theory?and?Techniques48(2000)626.)

THz量子級聯激光器(QCL)通過半導體內部的受激輻射過程來實現，結構非常緊湊，輸出功率高，但是由于THz波段的QCL是利用電子子能帶間的躍遷通過多個量子阱的共振隧穿來實現輻射的，因而受環境熱影響非常大，如何在室溫下穩定工作是該技術亟待解決的難題。(參見R.“Terahertz?semiconductorheterostructure?laser”，Nature?417，(2002)156.)

光泵THz氣體激光器已經成為目前比較成熟的THz信號源之一，功率達到數百毫瓦，并且實現了商業化。但其體積比較龐大，價格比較高，適合于實驗室使用。另外，氣體激光器的譜線是固定的，也不能產生寬譜THz波，只能局限在某些應用場合。(參見ACrocker，H.A.Gebbie，M.F.Kimmitt，I.E.S.Mathias，Nature?201(1964)250.)

利用非線性頻率變換過程產生THz輻射也是目前正在研制的THz輻射源之一，需要兩臺獨立的連續激光器照射在光電導或非線性晶體上，產生的光電流會以兩臺激光器的差頻頻率振蕩，當這個差頻頻率在THz波段時，便可輸出THz電磁波，但是由于該過程是非線性過程，轉換效率較低，且穩定的輸出要求具有非常穩定的泵浦源。目前的研發工作主要集中在提高非線性耦合效率。(參見[9]K.Kawase，M.Sato，T.Taniuchi?etal.Coherent?tunable?THz?wave?generation?fromLiNb03?with?monolithic?grating?coupler[J]，Appl.Phys.Lett.1996，68：2483-2485.)