光電導天線產生太赫茲波的微觀機制理論分析和計算

2020-12-03 電子發燒友

光電導天線產生太赫茲波的微觀機制理論分析和計算

佚名 發表於 2017-12-08 09:54:01

研究了光電導天線產生太赫茲波的輻射特性，利用麥克斯韋方程及其邊界條件，計算了近遠場的電場強度；採用電磁波時域有限差分方法(FDTD)，在Matlab系統軟體中，用C語言編寫程序計算光電導偶極天線的輻射太赫茲波的空間電磁場分布，並在計算機上以偽彩色圖形顯示，這種電磁場的可視化結果為天線的設計和改進提供了直觀的物理依據。

太赫茲波是指波長範圍為3μm～3mm(011～10THz)之間的電磁輻射，其波段位於微波和紅外光之間。隨著超快雷射技術和低尺度半導體技術的發展，使THz電磁波的產生技術，THz輻射機理的研究，THz檢測技術和應用技術得到迅速的發展。目前，產生脈衝THz輻射的方法主要有兩種：光電導天線產生THz電磁波和光整流產生THz。前者是利用飛秒雷射脈衝觸發直流偏置下的光電導體，通過相干電流驅動偶極天線產生太赫茲輻射；光整流是一種非線性效應，是用飛秒雷射脈衝和非線性介質(LiNbO3，LiTaO3，ZnTe等)相互作用產生低頻極化場也可以輻射出THz電磁波。近年來，國內外有不少關於光電導天線產生THz電磁波的文獻報導。Darrow等對光電導天線產生太赫茲波的理論進行了詳細的解釋，並且對砷化鎵(GaAs)和磷化銦(InP)作為光電導天線的基質材料產生太赫茲輻射進行了對比。Hattori等研究了大孔徑光電導天線產生太赫茲波的時間特性，考慮了半導體載流子壽命和弛豫時間對太赫茲輻射的影響。大孔徑光電導天線在強雷射脈衝的照射下會產生飽和現象，Darrow等等分別進行了理論模擬，得出了半導體表面的輻射電場對偏置電場的屏蔽效應是產生飽和現象的主要原因。施衛等對半絕緣砷化鎵(GaAs)天線產生太赫茲波的輻射特性進行了相關研究。

在國內外研究的基礎上，對光電導天線產生太赫茲波的微觀機制進行理論分析和計算，用麥克斯韋方程及其邊界條件計算了光電導體的表面電流和近遠場的輻射電場，通過計算可以看出近場條件下太赫茲波的輻射強度正比於表面電流，遠場條件下太赫茲波的輻射強度正比於觸發光脈衝的寬度、功率和偏置電場的強度。對於理論分析的結果，採用時域有限差分方法(FDTD)計算了光電導天線的輻射特性。
1光電導偶極天線結構和理論分析

1.1光電導偶極天線結構

半絕緣GaAs材料具有優良的光電性能，是製作光電·材料肖健，等：飛秒雷射觸發光電導天線產生太赫茲波的研究光電導天線很理想的基底材料GaAs材料的電阻率可以達到10^7～10^8，擊穿強度為250kV/cm；文中以半絕緣GaAs材料製成光電導偶極天線的晶片材料為例，介紹了光電導天線的結構和尺寸參數，給出直觀的示意圖。半絕緣GaAs材料暗態電阻率ρ=5×107Ωcm，載流子的濃度為n≈1014cm-3，載流子的遷移率為μ>5500cm2/(Vs)，晶片的厚度為016mm，外形尺寸為610mm×910mm；用電子束蒸渡工藝澱積厚度為900nm的Au/Ge/Ni合金電極(條形天線)，經過退火處理與GaAs晶片材料形成歐姆接觸，電極尺寸為6mm×3mm，圓角半徑為111mm，兩電極間隙為3mm；絕緣保護層採用Si3N4薄膜材料，其結構如圖1所示。

 

 

1.2理論分析

利用GaAs光電導天線產生太赫茲波的理論分析採用「電流源瞬衝模型」。該模型分析認為，光電導體輻射的THz波是光電導體表面的瞬變電流激發產生。根據Maxwell方程，表面電流Js(t)表示為

Js(t)=σs(t)(Eb+Es(t)) (1)

其中，σt為時域表面電導；Eb為偏置電場，Es(t)為光電導體表面輻射電場。由Maxwell方程的邊界條件可以得到Js(t)與Es(t)之間的關係式

其中，A是光電導體電極間隙的光照面積；z表示輻射中心到觀察點之間的距離。

根據以上的理論分析可以知，在近場條件下THz波的輻射強度正比於表面瞬態電流；在遠場條件下THz電磁波強度決定於觸發光脈衝的強度。另外，光電導體的偶極晶片是產生THz的電極，同時又具有發射天線的作用，可以通過設計不同金屬天線的形狀和結構，提高天線的輻射效率。

2電磁波時域有限差分方法(FDTD)

2.1FDTD方程

時域有限差分法主要思想是把Maxwell方程在空間和時間上離散化，用中心差商的形式代替連續微商，用差分方程代替一階微分方程，在時間軸上逐步推進求解，以電場為例給出方程

 

 

其中，ε0表示真空中的介電常數；μ0表示真空中的磁導率。

對於磁場有類似的形式，只是係數部分會有所不同，將電場公式中的電導率換成磁導率、介電常數換成磁導係數就可以得到磁場的FDTD方程。
2.2吸收邊界條件

常用的吸收邊界條件包括Mur吸收邊界條件和完全匹配層(PML)吸收邊界條件，Mur吸收邊界條件適用於計算機性能較差和計算精度不高的情況下，PML吸收邊界條件對計算機的要求比較高，計算精度較高。文中採用PML吸收邊界條件。

PML吸收邊界條件是由特殊的各向異性材料組成，完全匹配層為有耗介質，進入PML層的透射波將迅速衰減，它對於入射波有較好的吸收效果。在FDTD邊界外部構造一層虛擬的損耗媒質，使得在各個方向上的入射波在邊界上的反射很小，甚至為零。1994年Beernger以此思想構造了一種非物理的吸收媒質，與FDTD網格外部邊界相連，其波阻抗具有與外向散射波的入射角和頻率均無關。以二維TE情況為例，在PML介質中，Beernger為了引入規定損耗的新自由度，將Hz分裂為兩個分量Hzx和Hzy，且Hz=Hzx+Hzy。進而將Maxwell方程改寫為

σ和σ*分別表示自由空間中的電導率和導磁率。當時σx=σy=σ3x=σ3y，式(6)就退化為自由空間中的Maxwell方程，所以可以認為上式描述了一種普遍的情況，自由空間是其中一個特例。
2.3用Matlab程序計算光電導天線輻射特性

(1)編程中參數的選取。為了保證解的穩定性和收斂性，離散網格邊長取Δx=Δy=Δz=δ=λ/12；時間步長取Δt=δ/2c，其中，c為自由空間的光速，以011THz的電磁波為例，x方向取115cm，y，z的取值與x相同；

(2)設置激勵源。在計算中採用微分形式的高斯脈衝激勵源進行模擬計算Ei(t)=[(t-t0)/τ]exp-[4π(t-t0)2]/τ2，其中，τ為常數，決定了高斯脈衝的寬度；

(3)編寫Matlab程序進行計算。用C語言編寫計算程序，在Matlab710軟體中計算，硬體配置為酷睿單核116GHz，內存1GB，運行時間約為2分20秒，計算結果如圖2所示。

 

 

用Matlab計算的光電導天線天線的輻射特性圖，如圖2所示，從圖形可以看出天線復變輻射的電磁場分布，可以加深對天線的工作原理的理解，為進一步改進天線的結構提供了物理依據，最終實現提高光電導天線輻射太赫茲波的功率和效率。

3結束語

通過對光電導天線的理論分析與計算，利用FDTD方法對天線的輻射特性進行了分析，通過建模仿真編寫Matlab程序進行具體計算，可以直觀看到天線的輻射圖形。從以上的結果分析可以看出，FDTD方法在電磁場數值計算中是一種比較實用可行的辦法。利用Matlab進行仿真運算，可以更加準確形象的理解場的迭代和在邊界區域的吸收情況。在應用FDTD方法時需要注意：在編程的過程中，網格的劃分具有重要的作用，一定要慎重處理；另外一個重要的因素是對激勵源的模擬，選擇合適的的激勵源形式以及用適當的方法將激勵源加入到FDTD迭代計算中。

打開APP閱讀更多精彩內容

聲明：本文內容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網站授權轉載。文章觀點僅代表作者本人，不代表電子發燒友網立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用，如有內容圖片侵權或者其他問題，請聯繫本站作侵刪。 侵權投訴

相關焦點

  • 太赫茲技術發展現狀分析
    大多數分子的分子振動和轉動頻率都處在太赫茲頻段，因此利用太赫茲波與分子共振，可以有效識別不同的物質組成和含量，太赫茲波在危險品探測、物質識別、醫學檢測等領域具有一定應用潛力。 （4）光子能量低，生物兼容性好。1THz 電磁波的光子能量為4.14meV，遠低於可見光、紫外光，是X 射線的數百萬分之一，不會產生電離輻射。低功率太赫茲波可直接照射生物組織而不產生傷害。
  • 搭建太赫茲時域光譜系統時，如何選擇合適的飛秒雷射器？
    文 / 郭佔華，上海朗研光電科技有限公司太赫茲時域光譜（THz-TDS）系統是基於相干探測技術的太赫茲產生與探測系統，能夠同時獲得太赫茲脈衝的振幅信息和相位信息，通過對時間波形進行傅立葉變換，能直接得到樣品的吸收係數和折射率、透射率等光學參數。太赫茲時域光譜有很高的探測信噪比和較寬的探測帶寬，探測靈敏度很高，可以廣泛應用於多種樣品的探測。
  • 太赫茲波——令人矚目的未來戰爭新寵
    太赫茲波，泛指頻率位於紅外線和微波之間的電磁波，處於宏觀電子學向微觀光子學的過渡階段。 由於處於交叉過渡區，太赫茲波既不完全適用光學理論來處理，也不完全適用微波理論來研究。很長一段時間，人們對太赫茲波的認識非常有限，形成了「太赫茲空白」。
  • 使用石墨烯,金的材料系統來產生太赫茲波
    太赫茲波具有許多潛在的技術應用。太赫茲技術有可能成為繼5G之後用於極端移動通訊和無線網絡的最有前途的技術。從兆赫茲到太赫茲頻率的傳輸所遇到的瓶頸是沒有有效的發射太赫茲的光源和轉換裝置。　　一個由德國-西班牙兩個國家所組成的團隊發展了一個以石墨烯為基礎的來提高產生太赫茲波脈衝效率的辦法。在這一系統中，研究人員在石墨烯板片上塗敷金屬的薄層結構——尤其是以金為基礎的薄層結構。
  • 太赫茲波段三維漸變介電常數陣列天線
    摘要：太赫茲技術應用領域的不斷擴展，要求太赫茲波段天線具有更強的輻射特性和更寬的工作頻段。本文使用三維漸變介電常數陶瓷基板作為天線介質基板，創造性地將矩形環嵌套陣元天線和矩形陣列結構相結合，設計了一款太赫茲波段三維漸變介電常數陣列天線，製作了天線樣品進行測試。
  • 太赫茲技術及其應用詳解
    例如： 自然界中許多生物大分子的振動和旋轉頻率都處在太赫茲頻段， 這對檢測生物信息提供了一種有效的手段; 太赫茲頻段光子能量較低， 不會對探測體造成損壞， 可以實現無損檢測; 太赫茲波對介質材料有著良好的穿透能力， 從而可作為探測隱蔽物體的手段; 太赫茲脈衝的典型脈寬在皮秒量級， 可以得到高信噪比的太赫茲時域譜， 易於對各種材料進行光譜分析; 此外， 太赫茲頻段的帶寬很寬， 從0.1-10
  • 石墨烯探測器利用等離子體波的幹涉揭示了太赫茲光的偏振
    資料來源:Daria Sokol/MIPT新聞辦公室物理學家已經基於石墨烯創造了太赫茲輻射的寬帶探測器。該設備在通信和下一代信息傳輸系統、安全和醫療設備方面具有應用潛力。這項研究發表在ACS納米快報上。新的探測器依靠等離子體波的幹擾。幹擾就是許多技術應用和日常現象的基礎。它決定了樂器的聲音，產生了肥皂泡中的彩虹顏色，以及許多其他效果。
  • 美國大學教授利用太赫茲波超導電流完成超快量子計算
    上個世紀80年代中後期科學家們從統稱的遠紅外射線中發現了頻率在0.1THz到10THz範圍的電磁波，波長大概在0.03到3mm範圍，介於微波與紅外之間。並命名為太赫茲波。太赫茲的獨特性能給通信(寬帶通信)、雷達、電子對抗、電磁武器、天文學、醫學成像(無標記的基因檢查、細胞水平的成像)、無損檢測、安全檢查(生化物的檢查)等領域帶來了深遠的影響。由於太赫茲的頻率很高，所以其空間解析度也很高;又由於它的脈衝很短(皮秒量級)所以具有很高的時間解析度。太赫茲成像技術和太赫茲波譜技術由此構成了太赫茲應用的兩個主要關鍵技術。
  • 比雷射和紅外更有價值,揭秘神秘的太赫茲波
    在電磁波頻譜上，太赫茲波的波長在3μm到1000μm之間，頻率為0.1-10THz（類似硬碟容量單位1TB、2TB..），是介於微波與紅外線之間的電磁波。姚建銓告訴雷鋒網(公眾號：雷鋒網)，太赫茲和電磁波頻譜中其它波段不一樣，它幾乎兼具通信、雷達和遙感測距等所有功能，而且每項應用的表現都比現有技術佔優
  • 可能引發科學技術革命性發展的太赫茲技術
    而廣義的太赫茲波頻率範圍可包含整個中紅外和遠紅外波段，頻率最高可達100THz。由於太赫茲波在電磁波譜中的位置十分特殊，它處在電子學和光子學的交叉領域，所以既不完全適合用經典的光學理論來解釋，也不完全適合用電子微波理論來研究。因此，以往在相當長的一段時期內太赫茲波段被認為是電磁波譜中的「禁區」。
  • 雙特太赫茲波是什麼? 太赫茲理療問答
    答：太赫茲波是介於紅外線和微波之間的一種電磁波，所以具有二者的一些性質。如直線傳播，以及能穿透大範圍的非導電材料。維基百科上的資料顯示，從溫度高於10攝氏度的任何物體上都能發射太赫茲波，也就是說，幾乎地球上的一切生命和物質都在放射著太赫茲波。
  • 按需控制太赫茲和紅外波,將徹底改變光電子、電信和醫學診斷!
    利用磁場或電場來控制紅外線和太赫茲波的能力是物理學中一個巨大挑戰，它可能徹底改變光電子、電信和醫學診斷。之前理論預測石墨烯（一種由碳原子組成的單原子層）在磁場中不僅可以根據需要吸收太赫茲和紅外光，還可以控制圓偏振的方向。
  • 太赫茲時域光譜技術原理分析_太赫茲時域光譜技術的應用
    太赫茲光譜技術不僅信噪比高，能夠迅速地對樣品組成的微細變化做出分析和鑑別，而且太赫茲光譜技術是一種非接觸測量技術，它能夠對半導體、電介質薄膜及物體材料的物理信息進行快速準確的測量。 太赫茲輻射（THz輻射，1THz=1012Hz）在電磁波譜上位於微波和紅外之間，屬於遠紅外波段，如圖1所示。
  • 自旋太赫茲源近場超分辨鬼成像顯微術
    ——自旋太赫茲源（Spintronicterahertz emitter, 簡稱STE），結合計算鬼成像技術，設計並驗證了一種超衍射分辨的太赫茲顯微儀（GHOSTEAM），可以對近場目標實現微米量級的太赫茲波空間分辨。
  • 【科普課堂】太赫茲技術--改變未來世界的」超級波「
    >和微波一樣，太赫茲其實也是一種電磁波。太赫茲通常是指的是0.1～10太赫茲（1太赫茲=1012赫茲）這個頻段內的電磁波。這個波段正好位於微波和紅外的交界處。在國際上，這個區域被稱為「太赫茲空白」。因為它的源和探測器等技術的發展比別的頻段要落後。1690年，惠更斯就提出了光學的基本理論，而第二次世界大戰中也已經開始使用微波雷達，但是太赫茲的研究還是最近三十年的事情，相對會新一些，大家也就感覺陌生一些。
  • 【科普課堂】太赫茲技術--改變未來世界的」超級波
    和微波一樣，太赫茲其實也是一種電磁波。太赫茲通常是指的是0.1～10太赫茲（1太赫茲=1012赫茲）這個頻段內的電磁波。這個波段正好位於微波和紅外的交界處。也就是說，（頻率）向下走就是微波、毫米波，（頻率）向上走就是紅外、可見光，它處於一個過渡區域。
  • 【科普】你不知道的太赫茲波,將顛覆絕大部分行業
    姚建銓告訴雷鋒網(搜索「雷鋒網」公眾號關注)，太赫茲和電磁波頻譜中其它波段不一樣，它幾乎兼具通信、雷達和遙感測距等所有功能，而且每項應用的表現都比現有技術佔優。從上圖中可以看出，太赫茲波介於無線電波和光學波之間，這在一定程度上賦予了它和其餘電磁波不同的特性——兼具微波通信以及光波通信的優點，即傳輸速率高、容量大、方向性強、安全性高及穿透性強等。理論來講，在通信領域裡，頻率越高通信容量就越大。太赫茲波的頻率比目前使用的微波要高1～4個數量級，它能提供10Gbit/s以上的無線傳輸速率，這是微波無法達到的高度。
  • 「第五維戰場」拓展者太赫茲有著怎樣的「高貴」身份和應用前景
    太赫茲，這個聽上去頗有些「高大上」的名字，具體指的是一個波動頻率單位，泛指頻率在0.1～10太赫茲波段內的電磁波。然而，看似平常一段「波」，太赫茲卻與眾不同。從頻率上看，它處於射頻的高頻端（毫米波）和光學的低頻端（遠紅外）之間，高於毫米波而低於紅外線；從能量上看，其大小則在電子和光子之間。這一頻段是光波與射頻電磁波相互過渡、相互融合的區間。太赫茲的獨特之處就體現於此。
  • 太赫茲技術在醫學領域中的應用和進展!
    「 太赫茲波是指頻率在0.1~10THz範圍內的電磁波（1THz=10^12Hz）。太赫茲波介於微波和可見光之間，在長波段與毫米波重合，在短波段與紅外線重合。
  • 石墨烯太赫茲外差混頻探測器研究獲進展
    頻率介於紅外和毫米波之間的太赫茲波（Terahertz wave）在成像、雷達和通信等技術領域具有廣闊的應用前景，太赫茲波與物質的相互作用研究具有重要的科學意義。高靈敏度太赫茲波探測器是發展太赫茲應用技術的核心器件，是開展太赫茲科學研究的重要手段與主要內容之一。