CN107394398A - 自聚焦微透镜光电导阵列天线 - Google Patents

自聚焦微透镜光电导阵列天线 Download PDF

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Abstract

自聚焦微透镜光电导阵列天线，包括自聚焦微透镜阵列，自聚焦微透镜阵列包括设置在透镜架上的若干个自聚焦微透镜，自聚焦微透镜阵列下部对应设置有GaAs光电导阵列天线，GaAs光电导阵列天线包括在衬底上设置的若干个天线阵元，每个天线阵元分别对应一个自聚焦微透镜，由一路输入多路输出电源为若干个天线阵元供电。解决了现有技术中存在的光电导阵列天线辐射功率低的问题，为天线阵元辐射的太赫兹波远场相干叠加的实现提供条件。

Description

自聚焦微透镜光电导阵列天线
技术领域
本发明属于光电科学技术领域，涉及一种自聚焦微透镜光电导阵列天线。
背景技术
太赫兹波通常指的是频率在0.1THz～10THz(波长在3mm～30um)范围内的电磁辐射。相比其他波段，太赫兹电磁波具有其独特的瞬态性、宽带性、相干性和低能性等特点，使其在物体成像、医疗诊断、环境监测、射电天文、宽带移动通讯、卫星通讯和军用雷达等领域具有重大的科学价值和广阔的应用前景。
光电导天线的辐射机制是激光脉冲激发的光生载流子在外加偏置电场和内建电场的作用下加速运动，从而在光电导半导体材料的表面产生瞬变光电流，最后向外辐射太赫兹脉冲。然而传统的光电导阵列天线，由于高斯激光斑覆盖整个阵列天线，有很大一部分激光照射在天线阵元间，只有极少一部分激光照射在阵元间隙上，然而能够被有效利用的只有天线阵元间隙上的激光光能，作为泵浦光触发天线阵元辐射太赫兹脉冲，激光有效利用率过低。
而且，传统的光电导阵列天线，正负极交叉排列，为插指型结构，每对电极为一个天线阵元，但是，在同一电源供电情况下，所有天线阵元的正负极是连接在同一个电源的正负极上，这样在泵浦光触发过程中，因为不同区域的光能不同而导致GaAs衬底不同部位的电导率不同，造成天线阵元辐射太赫兹脉冲各不相同，包括频率、幅值以及脉宽等等，特别是当不同阵元正负极的导通辐射，天线阵元之间容易相互电磁干扰，导致辐射太赫兹脉冲的偏振方向的不可控；而在不同电源供电情况下，所需电源和天线阵元个数成正比，又会造成电源的浪费。
发明内容
本发明的目的是提供一种自聚焦微透镜光电导阵列天线，解决了现有技术中存在的光电导阵列天线辐射功率低的问题，为天线阵元辐射的太赫兹波远场相干叠加的实现提供条件。
本发明所采用的技术方案是，自聚焦微透镜光电导阵列天线，包括自聚焦微透镜阵列，自聚焦微透镜阵列包括设置在透镜架上的若干个自聚焦微透镜，自聚焦微透镜阵列下部对应设置有GaAs光电导阵列天线，GaAs光电导阵列天线包括在衬底上设置的若干个天线阵元，每个天线阵元分别对应一个自聚焦微透镜，由一路输入多路输出电源为若干个天线阵元供电。
若干个自聚焦微透镜呈圆排布，边缘部分的自聚焦微透镜围绕中心位置的自聚焦微透镜呈同心圆环排布。
自聚焦微透镜的焦点分别落在对应的天线阵元的阵元间隙中。
天线阵元包括中心天线阵元和边缘天线阵元，中心天线阵元的阵元间隙不小于边缘天线阵元的阵元间隙。
一路输入多路输出电源包括直流电压源，直流电压源的负极分别通过导线与天线阵元的负极连接，直流电压源的正极分别通过由导线依次连接的限流电阻、电容与天线阵元的正极连接。
GaAs光电导阵列天线2的衬底是利用液拉直封法制备的＜100＞径向的SI-GaAs衬底，其电阻率高于107Ω·cm；在SI-GaAs衬底上使用光刻技术制备天线阵元的电极形状，然后通过电子束蒸发在SI-GaAs衬底上分别沉积20-100nm的Ni，50-500nm的Au，20-100nm的Ge和50-100nm的Au，得到天线阵元，再在300℃-400℃的温度范围内快速退火1-2分钟使天线阵元的电极合金化。
天线阵元的电极方向均一致。
天线阵元的通态电阻的阻值相同。
本发明的有益效果是：
自聚焦微透镜阵列，不仅可以提高激光的有效利用率，将大部分激光聚焦到阵元间隙中，而且避免了天线阵元之间的电磁辐射干扰，其光能有效利用率高达77.8％；
一路输入多路输出电源中，可将各支路电容充放电过程视为一个相同的二级电源，保证了每个天线阵元拥有各自独立的电源供电，从而克服传统阵列天线各天线阵元间的相互电磁干扰，避免太赫兹辐射偏振方向的不可控制；
激光器发射的激光光束，其横截面的振幅分布遵守高斯函数，即高斯光束中间的能量要大于边缘能量，阵元天线按照圆形分布排列，因此，适当调整中心天线阵元的阵元间隙，保证各个天线阵元太赫兹脉冲辐射基本一致，为太赫兹波远场相干叠加的实现提供条件，加强了太赫兹辐射功率。
附图说明
图1是自聚焦微透镜光电导阵列天线的结构示意图；
图2是自聚焦微透镜光电导阵列天线的结构示意图；
图3是包含7个天线阵元的GaAs光电导阵列天线的结构示意图；
图4是包含19个天线阵元的GaAs光电导阵列天线的结构示意图；
图5是一路输入多路输出电源的电路图。
图中，1.自聚焦微透镜阵列，2.GaAs光电导阵列天线，3.一路输入多路输出电源；
11.透镜架，12.自聚焦微透镜；
31.直流电压源，32.限流电阻，33.电容，34.线路板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1、图2所示，自聚焦微透镜光电导阵列天线，包括自聚焦微透镜阵列1，自聚焦微透镜阵列1包括设置在透镜架11上的若干个自聚焦微透镜12，自聚焦微透镜阵列1下部对应设置有GaAs光电导阵列天线2，GaAs光电导阵列天线2包括在衬底上设置的若干个天线阵元，每个天线阵元分别对应一个自聚焦微透镜12，由一路输入多路输出电源3为若干个天线阵元供电。
本实施例中选择飞秒激光器作为激光光源，使得自聚焦微透镜光电导阵列天线向外辐射太赫兹脉冲，飞秒激光器的激光电场方向垂直于线阵元的正负电极。
本实施例中以包含7个自聚焦微透镜12的自聚焦微透镜阵列1为例，如图2所示，7个自聚焦微透镜12呈圆排布，边缘部分的6个自聚焦微透镜12围绕中心位置的自聚焦微透镜12构成同心圆环，每相邻三个自聚焦微透镜12的中心点构成等边三角形的顶点。
由于飞秒激光器的激光波长是有一定的范围(720nm—900nm)，需要对应选择中心波长在720nm—900nm范围内的自聚焦微透镜12，本实施例中选择的自聚焦微透镜12的型号为SLW-180，直径为1.8mm、轴长Z为4.73mm、截距p为0.24，中心波长为808nm、脉宽为±30nm，折射率梯度常数√A为0.332，单角度为8°，符号设计要求。自聚焦微透镜12的材料选用氧化物玻璃，并进行双面镀膜，透镜架用3D打印机打印，打印材料为PLA，厚度为4.23mm，然后将自聚焦微透镜12用AB胶粘在透镜架上。自聚焦微透镜12的焦点分别落在对应的天线阵元的阵元间隙的中点所在的位置，能够保证将77.8％的入射光都用来产生太赫兹辐射。
如图3所示，为对应包含7个自聚焦微透镜12的GaAs光电导阵列天线2，中心天线阵元和边缘天线阵元均选择偶极天线，阵元周期为1.8mm，6个边缘天线阵元的阵元间隙均为30um，中心天线阵元的阵元间隙不小于边缘天线阵元的阵元间隙。若在自聚焦微透镜阵列1中增加自聚焦微透镜12，进一步，为包含19个自聚焦微透镜12的GaAs光电导阵列天线2，如图4所示，最外缘的12个天线阵元的阵元间隙相等，与其相邻的6个天线阵元的阵元间隙相等，且6个天线阵元的阵元间隙不小于最外缘的12个天线阵元的阵元间隙，中心天线阵元的阵元间隙不小于相邻6个天线阵元的阵元间隙。
GaAs光电导阵列天线2对应自聚焦微透镜阵列1，天线阵元采取圆形排布，一是为了迎合了高斯光束，再者使得每个天线阵元之间的缝隙尽量的小，从而尽量提高光能利用率；太赫兹频谱波形的中心频率会随着天线阵元的偏置电场的减小和阵元间隙的增大向低频移动，由于一路输入多路输出的电源保证了天线阵元的偏置电场一致，调整太赫兹辐射的中心频率时，只需要调整中心天线阵元的阵元间隙即可。
如图5所示，对应为一路输入七路输出电源3，包括直流电压源31，直流电压源31的负极分别通过导线与天线阵元的负极连接，直流电压源31的正极分别通过由导线依次连接的限流电阻32、电容33与天线阵元的正极连接，采用双层的线路板34进行布线，避免天线阵元间的供电线相互交叉。利用电容充放电的原理同时给7个天线阵元独立供电，使得7个天线阵元两端由相同的电源供电，避免部分天线阵元提前放电，而导致各天线阵元辐射的太赫兹脉冲相位不一致的问题。
直流电压源31采用型号为HB-Z103-2AC的直流高压源，选择0.25pF的电容33，1MΩ的限流电阻32，τ1＝R1×C，τ2＝R2×C，其中，τ1表示电容33的充电时间，τ2表示电容33的放电时间，C为电容33的电容量，R1为限流电阻32的阻值，R2为中天线阵元的通态电阻的阻值，τ1理论值约为0.25us，充电过程中，将各支路的电容33充满电后，电容33可视为二级电压源，各天线阵元所加电压均为55V；中心天线阵元和边缘天线阵元的通态电阻的阻值相同，均约为20kΩ，在放电过程中，τ2理论值约为5ns，由于THz-TDS系统的重复频率为80MHz，1/80MHz＝12.5ns，τ1+τ2≤12.5ns即可进行重频操作，满足在THz-TDS系统中的高频特性。
GaAs光电导阵列天线2的衬底是利用液拉直封法制备的＜100＞径向的SI-GaAs衬底，其电阻率高于107Ω·cm；在SI-GaAs衬底上使用光刻技术制备天线阵元的电极形状，然后通过电子束蒸发在SI-GaAs衬底上分别沉积20-100nm的Ni，50-500nm的Au，20-100nm的Ge和50-100nm的Au，得到天线阵元的电极和沉积焊盘，再在300℃-400℃的温度范围内快速退火1-2分钟使天线阵元的电极合金化。将线路板34的焊盘和天线阵元的沉积焊盘焊接在一起，实现一路输入多路输出电源3为中心天线阵元及边缘天线阵元单独供电。通过天线阵元的电极的欧姆接触，增加了GaAs光电导阵列天线2的击穿电场，同时使GaAs光电导阵列天线2中的电场分布基本或全部覆盖了整个阵元间隙，随着单位面积的光生载流子密度的减小，库伦屏蔽效应和辐射场屏蔽效应得到了有效的控制，提高了GaAs光电导阵列天线2的发射效率。
中心天线阵元和边缘天线阵元的电极方向均一致，即天线阵元的同一侧的电极均相同，从而保证各个天线阵元的太赫兹辐射的偏振方向一致；由一路输入多路输出电源3为天线阵元供电，保证了各个天线阵元的太赫兹辐射的相位一致；由于边缘天线阵元太赫兹辐射的中心频率一致，当需要调整太赫兹辐射的中心频率时，只需要调整中心天线阵元的阵元间隙使其与边缘天线阵元太赫兹辐射的中心频率相同即可；每个天线阵元辐射的太赫兹脉冲在远场干涉叠加，增加辐射功率。
通过上述方式，本发明自聚焦微透镜光电导阵列天线，通过增加自聚焦微透镜阵列将飞秒激光聚焦到各个天线阵元的阵元间隙中，避免激光照射在天线阵元之间，确保将77.8％的入射光都用来产生太赫兹辐射，提高了激光光源的有效利用；同时一路输入多路输出电源的设计，确保每个阵元拥有独立的相同电源供电，从而避免部分天线阵元提前放电，且克服了传统阵列天线各阵元间的相互电磁干扰，避免太赫兹辐射偏相位及振方向的不可控制；天线阵元根据高斯激光的特点呈圆形分布排列，调整中心天线阵元的阵元间隙，使各个天线阵元辐射太赫兹波的频率基本一致，最终每个天线阵元辐射的太赫兹脉冲在远场干涉叠加，大幅提高了GaAs光电导阵列天线的太赫兹辐射功率。

Claims (8)

1.自聚焦微透镜光电导阵列天线，其特征在于，包括自聚焦微透镜阵列(1)，所述自聚焦微透镜阵列(1)包括设置在透镜架(11)上的若干个自聚焦微透镜(12)，自聚焦微透镜阵列(1)下部对应设置有GaAs光电导阵列天线(2)，所述GaAs光电导阵列天线(2)包括在衬底上设置的若干个天线阵元，每个天线阵元分别对应一个自聚焦微透镜(12)，由一路输入多路输出电源(3)为若干个所述天线阵元供电。
2.根据权利要求1所述的自聚焦微透镜光电导阵列天线，其特征在于，若干个所述自聚焦微透镜(12)呈圆排布，边缘部分的自聚焦微透镜(12)围绕中心位置的自聚焦微透镜(12)构成同心圆环。
3.根据权利要求1所述的自聚焦微透镜光电导阵列天线，其特征在于，所述自聚焦微透镜(12)的焦点分别落在对应的所述天线阵元的阵元间隙中。
4.根据权利要求1所述的自聚焦微透镜光电导阵列天线，其特征在于，所述天线阵元包括中心天线阵元和边缘天线阵元，中心天线阵元的阵元间隙不小于边缘天线阵元的阵元间隙。
5.根据权利要求1所述的自聚焦微透镜光电导阵列天线，其特征在于，所述一路输入多路输出电源(3)包括直流电压源(31)，所述直流电压源(31)的负极分别通过导线与所述天线阵元的负极连接，直流电压源(31)的正极分别通过由导线依次连接的限流电阻(32)、电容(33)与所述天线阵元的正极连接。
6.根据权利要求1所述的自聚焦微透镜光电导阵列天线，其特征在于，所述GaAs光电导阵列天线(2)的衬底是利用液拉直封法制备的＜100＞径向的SI-GaAs衬底，其电阻率高于107Ω·cm；在所述SI-GaAs衬底上使用光刻技术制备所述天线阵元的电极形状，然后通过电子束蒸发在SI-GaAs衬底上分别沉积20-100nm的Ni，50-500nm的Au，20-100nm的Ge和50-100nm的Au，得到天线阵元，再在300℃-400℃的温度范围内快速退火1-2分钟使天线阵元的电极合金化。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的自聚焦微透镜光电导阵列天线，其特征在于，所述天线阵元的电极方向均一致。
8.基于权利要求7所述的自聚焦微透镜光电导阵列天线，其特征在于，所述天线阵元的通态电阻的阻值相同。
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