CN104377534B - 一种高效率产生太赫兹波的波导型非线性晶体及制作方法 - Google Patents

一种高效率产生太赫兹波的波导型非线性晶体及制作方法 Download PDF

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Abstract

一种高效率产生太赫兹波的波导型非线性晶体及制作方法，晶体有周期反转非线性晶体圆棒，在周期反转非线性晶体圆棒的外周沉积有一层表面等离子体包层。周期反转非线性晶体圆棒是砷化镓晶体圆棒或是硒化镓晶体圆棒或磷化镓晶体圆棒。方法：将2个以上的非线性系数为正的半导体外延片和2个以上的非线性系数为负的半导体外延片间隔放置，并利用直接键合技术制作出周期反转非线性晶体；采用刻蚀研磨方法将键合好的周期反转非线性晶体制作成直径为50～100微米的柱状结构的周期反转非线性晶体圆棒；在周期反转非线性晶体棒的表面，通过镀膜刻蚀方法沉积一层表面等离子体调制包层。本发明使得泵浦光与产生THz波可以有效重合并传播，从而提高THz波的产生效率。

Description

一种高效率产生太赫兹波的波导型非线性晶体及制作方法
技术领域
本发明涉及一种非线性晶体。特别是涉及一种基于表面等离子体效应以及准相位匹配周期性的高效率产生太赫兹波的波导型非线性晶体及制作方法。
背景技术
太赫兹(THz)波是指频率在0.1THz至10THz之间，波长在0.03mm-3mm之间的电磁波，其所处的特殊位置使太赫兹技术成为连接电子学和光子学的桥梁，THz波与物质相互作用时包含了丰富的物理和化学信息，因此太赫兹波被广泛应用于分子光谱、生物波谱成像分析等基础研究领域，太赫兹波谱成像也成为当前太赫兹技术最重要的应用领域之一。当前太赫兹波谱成像技术采用的太赫兹辐射源主要是超短脉冲激发光电导和非线性材料获得宽带太赫兹辐射源，其波谱范围为0.5-3THz范围，由于波谱范围宽，使其成为当前广泛应用的太赫兹波谱分析及扫描成像仪器(时域光谱分析系统，TDS)，并已经产品化，但是由于超短脉冲激光激发的太赫兹波输出是宽带光谱等原因，其光谱分辨率存在很大的局限性，目前时域光谱分析系统仅能达到大于10GHz的光谱分辨率，难以满足高分辨率的低摩尔浓度分子、生物光谱分析需求，因此，光谱线宽在MHz范围的可调谐太赫兹辐射源是高分辨率太赫兹波谱分析及高精度成像应用领域的关键核心技术。
基于光学非线性频率下转换技术的光子学太赫兹辐射源是实现高功率、窄线宽、可调谐单色相干太赫兹辐射源的重要方法之一。虽然目前国际上连续THz辐射源的研究已取得一定的进展，但其输出功率水平和调谐范围仍不能满足高分辨率太赫兹波谱分析及高精度成像应用领域对高功率宽调谐连续THz辐射源的需求，其主要原因在于缺少高效泵浦方式以及高非线性系数太赫兹差频晶体。半导体材料GaAs作为一种非线性光学晶体，具有相对较高的非线性系数(deo＝43pm/V)；很高的电阻率(掺Cr后可>108Ω·cm)；在THz波段以及2μm光波吸收系数小；在频率转换中由于光波的群速度和THz的相速度相近，从而具有很大的相干长度；具有很高的热导率；成本低可实现大尺寸生长等优点，近年来得到了更多的关注。
利用周期反转的GaAs晶体准相位匹配可以有效利用晶体大的有效非线性系数，克服常规晶体增大晶体长度后引起的走离，可以有效提高光波到THz波的转换效率，而且能够实现共线产生THz波。但是差频过程要保持能量守恒，即＝ωTHz＝＝ωpump1-＝ωpump2，其中pump1和pump2为两束泵浦光的角频率，THz为输出THz波的角频率。为了提高差频效率，必须使得泵浦光与产生的THz波束相互重合，但是由于泵浦光和THz波的波长相差太大，衍射效应将使得这两种波束的重合变得非常困难，而且THz波会由于衍射效应发散，严重影响THz波的输出效率。而在GaAs等非线性晶体中引入表明等离子体结构，可以利用表面等离子体效应，实现亚波长的THz波导效应，则可以较好的解决这一问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种可有效提高非线性晶体产生THz波效率的高效率产生太赫兹波的波导型非线性晶体及制作方法。
本发明所采用的技术方案是：一种高效率产生太赫兹波的波导型非线性晶体，包括有非线性晶体棒，所述的非线性晶体棒是周期反转非线性晶体圆棒，在所述的周期反转非线性晶体圆棒的外周沉积有一层表面等离子体包层。
所述的周期反转非线性晶体圆棒是砷化镓晶体圆棒或是硒化镓晶体圆棒或磷化镓晶体圆棒。
所述的周期反转非线性晶体圆棒是由2个以上的非线性系数为正的半导体外延片和2个以上的非线性系数为负的半导体外延片间隔设置构成的周期反转非线性晶体圆棒。
一种高效率产生太赫兹波的波导型非线性晶体的制作方法，包括如下步骤：
1)将2个以上的非线性系数为正的半导体外延片和2个以上的非线性系数为负的半导体外延片间隔放置，并利用直接键合技术制作出周期反转非线性晶体；
2)采用刻蚀研磨方法将键合好的周期反转非线性晶体制作成直径为50～100微米的柱状结构的周期反转非线性晶体圆棒；
3)在周期反转非线性晶体棒的表面，通过镀膜刻蚀方法沉积一层表面等离子体调制包层。
步骤2)所述的刻蚀研磨方法是采用聚焦离子束刻蚀方式，或是采用感应耦合等离子体干法刻蚀方式，或是采用湿法刻蚀方式。
步骤3)所述的镀膜方法是采用热蒸发或化学气相沉积方式，或采用分子束外延生长的方式。
步骤3)所述的表面等离子体调制包层是金属或者半导体或者石墨烯材料的表面等离子体调制包层。
本发明的一种高效率产生太赫兹波的波导型非线性晶体及制作方法，使得泵浦光与产生THz波可以有效重合并传播，从而提高THz波的产生效率。本发明可有效提高非线性晶体产生THz波的效率，通过改变表面等离子体材料结构可对不同波长范围的THz波实现波导效应，从而适用于各个不同波长范围的THz产生以及导波，且结果精确可控，具有可操作性。
附图说明
图1是本发明的晶体整体结构示意图；
图2是图1的侧面视图；
图3是本发明的高效率产生太赫兹波的波导型非线性晶体的制作过程图；
图4是采用本发明的高效率产生太赫兹波的波导型非线性晶体的传输效果图。
图中，
1：砷化镓晶体圆棒 2：表面等离子体包层
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种高效率产生太赫兹波的波导型非线性晶体及制作方法做出详细说明。
如图1、图2所示，本发明的一种高效率产生太赫兹波的波导型非线性晶体，包括有非线性晶体棒，所述的非线性晶体棒是周期反转非线性晶体圆棒1，在所述的周期反转非线性晶体圆棒1的外周沉积有一层表面等离子体包层2。所述的周期反转非线性晶体圆棒1是由2个以上的非线性系数为正的半导体外延片和2个以上的非线性系数为负的半导体外延片间隔设置构成的周期反转非线性晶体圆棒1。所述的周期反转非线性晶体圆棒1是由不同介质或半导体材料构成的不同周期层厚以及不同周期数量的周期反转非线性晶体棒。如是砷化镓晶体圆棒或是硒化镓晶体圆棒或磷化镓晶体圆棒。如当采用砷化镓晶体棒时，所述的砷化镓晶体棒是由2个以上的非线性系数为正的砷化镓外延片和2个以上的非线性系数为负的砷化镓外延片间隔设置构成周期反转非线性晶体棒。本发明中的周期反转非线性晶体圆棒1对于太赫兹波已经达到亚波长量级，该周期反转非线性晶体棒，对于波长为1～2微米的泵浦光可视为宏观传输结构，而对于波长为数百微米的太赫兹波来说则为亚波长结构。在所述的周期反转非线性晶体圆棒1的外周沉积有一层表面等离子体包层2，使得非线性晶体对太赫兹波具有一定的波导效应，从而提高泵浦光与太赫兹波束的重合度，最终有效提高太赫兹波的转化效率。
上述的周期反转非线性晶体圆棒的材料、周期层厚，以及周期数量可以依据不同的泵浦光频率进行优化选择。
本发明的高效率产生太赫兹波的波导型非线性晶体的制作方法，如图3所示，包括如下步骤：
1)将2个以上的非线性系数为正的半导体外延片和2个以上的非线性系数为负的半导体外延片间隔放置，并利用直接键合技术制作出如图3所示的周期反转非线性晶体；
2)采用刻蚀研磨方法将键合好的周期反转非线性晶体制作成如图4所示的直径为50～100微米的柱状结构的周期反转非线性晶体圆棒；所述的刻蚀研磨方法是采用聚焦离子束刻蚀方式，或是采用感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀方式，或是采用湿法刻蚀方式。
3)在周期反转非线性晶体棒的表面，通过镀膜刻蚀方法沉积一层表面等离子体调制包层。所述的表面等离子体调制包层是金属或者半导体或者石墨烯材料的表面等离子体调制包层，获得亚波长的太赫兹波导，从而提高非线性晶体产生太赫兹波的产生效率。所述的镀膜方法是采用热蒸发或化学气相沉积方式，或采用分子束外延生长的方式。
本发明的一种高效率产生太赫兹波的波导型非线性晶体及制作方法，通过改变表面等离子体材料结构可以在不同频率范围内高效率产生太赫兹波。
实施例1：
如图1所示，可采用GaAs半导体材料，通过直接键合法制作出准相位匹配的周期反转非线性晶体，其周期层厚度以及周期数量可针对泵浦光频率的不同而不同。然后采用刻蚀研磨方法将周期反转非线性晶体制作成直径几十微米的周期反转非线性晶体圆棒，该结构对于波长为1～2微米的泵浦光可视为宏观传输结构，而对于波长为数百微米的太赫兹波来说则为亚波长结构。最后通过涂覆沉积技术将金属或者半导体或者石墨烯材料的表面等离子体调制结构制作在周期反转非线性晶体圆棒的表面，波导型晶体传输THz波场分布如图4所示，从而构成具有THz波导效应的相位匹配非线性晶体，该晶体不仅可以高效率产生并传输THz波，还可以与其他表面等离子体功能结构集成。因此，利用本发明的方法可以获得在不同泵浦频率以及不同太赫兹频率范围内工作的波导型高效率非线性晶体。同时利用表面等离子体结构对太赫兹波的调控特性，还可将太赫兹波的其他功能结构如减速分波功能等集成在该波导上。

Claims (7)

1.一种高效率产生太赫兹波的波导型非线性晶体，包括有非线性晶体棒，其特征在于，所述的非线性晶体棒是周期反转非线性晶体圆棒(1)，在所述的周期反转非线性晶体圆棒(1)的外周沉积有一层表面等离子体包层(2)。
2.根据权利要求1所述的一种高效率产生太赫兹波的波导型非线性晶体，其特征在于，所述的周期反转非线性晶体圆棒(1)是砷化镓晶体圆棒或是硒化镓晶体圆棒或磷化镓晶体圆棒。
3.根据权利要求1所述的一种高效率产生太赫兹波的波导型非线性晶体，其特征在于，所述的周期反转非线性晶体圆棒(1)是由2个以上的非线性系数为正的半导体外延片和2个以上的非线性系数为负的半导体外延片间隔设置构成的周期反转非线性晶体圆棒(1)。
4.一种权利要求1或2或3所述的高效率产生太赫兹波的波导型非线性晶体的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将2个以上的非线性系数为正的半导体外延片和2个以上的非线性系数为负的半导体外延片间隔放置，并利用直接键合技术制作出周期反转非线性晶体；
2)采用刻蚀研磨方法将键合好的周期反转非线性晶体制作成直径为50～100微米的柱状结构的周期反转非线性晶体圆棒；
3)在周期反转非线性晶体棒的表面，通过镀膜刻蚀方法沉积一层表面等离子体调制包层。
5.根据权利要求4所述的高效率产生太赫兹波的波导型非线性晶体的制作方法，其特征在于，步骤2)所述的刻蚀研磨方法是采用聚焦离子束刻蚀方式，或是采用感应耦合等离子体干法刻蚀方式，或是采用湿法刻蚀方式。
6.根据权利要求4所述的高效率产生太赫兹波的波导型非线性晶体的制作方法，其特征在于，步骤3)所述的镀膜方法是采用热蒸发或化学气相沉积方式，或采用分子束外延生长的方式。
7.根据权利要求4所述的高效率产生太赫兹波的波导型非线性晶体的制作方法，其特征在于，步骤3)所述的表面等离子体调制包层是金属或者半导体或者石墨烯材料的表面等离子体调制包层。
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