CN110011166A - 基于狄拉克半金属透射光栅的多频太赫兹辐射源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于狄拉克半金属透射光栅的多频太赫兹辐射源，它包含由狄拉克半金属材料制成的透射光栅，运动电子从光栅表面掠过激发起光栅中两种类型的表面等离子体波模式，两种模式的色散特性、激发条件不同，但均能被光栅衍射转化为增强的多频相干太赫兹辐射，该辐射功率密度被表面等离子体波增强两到三个数量级，本发明可用于发展具有室温工作、多频、高功率的、覆盖整个太赫兹波段的相干太赫兹辐射源。

Description

基于狄拉克半金属透射光栅的多频太赫兹辐射源

技术领域

本发明属于辐射源工程技术领域，涉及到一种基于狄拉克半金属透射光栅中两种类型表面等离子体波模式转化为多频太赫兹辐射的辐射源，具体而言是一种可用于太赫兹成像、安检和通信等系统的相干太赫兹辐射源。

背景技术

太赫兹波在电磁波谱中处于微波和红外线之间。太赫兹波具有很多独特的性质，首先，其光子能量低，低于各种化学键的键能，可用于对人体和各种生物体的无损安全检测。其次，太赫兹波长比可见光波长更长，可对烟雾等透视，并且对很多物质(陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料)的穿透性很好。再有，太赫兹波谱带宽很宽，可用于高速无线通信。并且，大多数生物大分子的振动和转动能级位于太赫兹波段，利用太赫兹光谱可以检测这些分子的指纹特征谱。基于这些特性，太赫兹在安全检测、成像、生物医学、无线通讯等领域均有重要的应用。近年来，太赫兹技术在国内外都掀起一股研究热潮，推动其发展的一个核心关键问题是太赫兹辐射源。

目前，太赫兹辐射源主要依靠两种方法，电子学和光子学方法。然而它们在频率和功率两方面均面临巨大挑战。电子学源包括固态电子学源和真空电子学源。基于半导体器件的固态电子学源主要工作在太赫兹低频段，如0.1THz-0.5THz，但是这类器件受限于电子在半导体结间的渡越时间，具有高频截止特性，并且随着工作频率增加，辐射功率快速降低。在0.1THz-0.2THz，输出功率可达几百毫瓦，而频率升高到0.4THz时，输出功率降低到几百微瓦。真空电子器件主要指回旋管、返波管、速调管和行波管等依靠电子注与慢波结构相互作用实现净的能量输出的真空器件。真空电子器件的工作频率与慢波结构的尺寸成反比，然而随着工作频率的增高，慢波结构的加工越来越困难。目前某些真空电子器件，如回旋管、返波管等的工作频率能达到1THz，但是其输出功率随着频率增高而迅速下降。光子学方法主要依靠飞秒激光脉冲驱动的光频下转换产生的，但这种方法产生的太赫兹辐射其效率、输出功率都比较低。最近发展迅猛的量子级联激光器主要工作在太赫兹高频段，很难将频率降低到1THz以下，而且随着频率降低输出功率也降低。为了抑制量子背景噪声，该辐射源需要工作在低温条件下。因此，开发覆盖整个太赫兹频段的高功率太赫兹辐射源仍然是一项突出的挑战。

狄拉克半金属是一种全新的奇特拓扑量子材料。这种材料的体电子形成了三维的狄拉克锥结构，所以可以看作是“三维的石墨烯”。和石墨烯类似，狄拉克半金属可以支持表面等离子体波(SPPs)。同时也具有SPPs的频率处在太赫兹到中红外波段，极强的局域性和极低的传播损耗，SPPs可以通过调整外加偏置电压或化学掺杂来调谐等优点。相比于石墨烯，由于狄拉克半金属中晶体对称性保护使得其中的电子具有更高的迁移率。这将使狄拉克半金属SPPs具有更低内在损耗。同时，狄拉克半金属体材料比石墨烯二维结构多了一个维度，它可以构成等离子体光栅，因此，狄拉克半金属不仅可以支持常规的表面等离子体波还可以支持腔体表面等离子体波。目前，对狄拉克表面等离子体波的研究还主要集中在其基本性质方面，用于产生太赫兹辐射还未见报道。

面对以上应用需求，本发明提出一种基于狄拉克半金属透射光栅的多频太赫兹辐射源，运动电子从狄拉克半金属透射光栅表面掠过可同时激发起两种类型的SPPs模式，然后经光栅衍射转化为增强的多频相干太赫兹辐射，该辐射功率密度被SPPs增强两到三个数量级，通过改变光栅的结构尺寸可以在太赫兹频段内调谐辐射频率。集合了多频、功率增强和调谐等优点，能提升太赫兹辐射源的辐射功率与频率覆盖范围。

发明内容

本发明鉴于上述技术背景，目的在于解决现有太赫兹辐射源技术存在不能覆盖整个太赫兹波段及辐射功率低的问题，提供了一种具有室温工作、多频、高功率的、可覆盖整个太赫兹波段的相干太赫兹辐射源。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案。狄拉克半金属的电导率σ可以采用库伯(Kubo)公式描述，再由电导率通过以下关系式得到介电函数。

ε_BDS(ω)＝ε_∞+σ/ωε₀ (1)

其中：ε_∞是频率趋近无穷时的介电常数，ε₀是真空介电常数，ω是圆频率。

腔体表面等离子体波模式由光栅缝隙两侧壁表面的电荷耦合形成，其色散可由两个间隔光栅缝隙宽度的半无限大的狄拉克半金属结构的色散代替。联立边界条件在直角坐标系下求解麦克斯韦方程组可以得到该结构中不同区域的电磁场方程：

对于上半空间狄拉克半金属区域(x＞w)：

其中：k₀是真空中波矢，k_z是SPPs的z方向波矢，w为缝隙宽度，A₁是场系数。

对于光栅缝隙区域(0＜x＜w)：

其中：A₂和A₃是场系数。

对于下半空间狄拉克半金属区域(x＜0)：

其中：A₄是场系数。

得到场方程后，采用场匹配方法将金属壁之间的耦合效应包括在内，边界匹配条件如下：

将各区域的电磁场方程带入边界匹配条件中，消去场系数即得到腔体表面等离子体波模式的色散方程，色散方程为：

求解色散方程可以得到对应于频率的表面等离子体波的波矢k_z。从该公式可以看出光栅缝隙宽度对腔体表面等离子体波色散产生影响。

腔体表面等离子体波模式在光栅缝隙内部谐振满足法布里-珀罗谐振条件：

k_zh+φ_R＝mπ (7)

其中：h为光栅深度，φ_R是光栅缝隙上下端面反射引起的相位偏移，m为正整数，表示法布里-珀罗谐振阶数。该公式表明光栅深度对腔体表面等离子体波色散产生影响，且可以存在多个腔体模式。

运动电子将诱导产生一个倏逝场，该场作为入射场激发光栅中的表面等离子体波模式，表面等离子体波模式再经过光栅衍射转化为辐射场。求解以下非齐次亥姆霍兹方程可以得到倏逝场。

其中：μ₀是真空磁导率。

运动电子的电流密度可表示为：

J_x＝qv₀δ(z-z₀)δ(x-v₀t) (9)

其中：v₀为电子运动速度，z₀为运动电子与光栅上表面的距离，q是运动电子沿圆周方向的线电荷密度。

联立方程(8)和(9)，并利用傅里叶变换可以得到倏逝场：

其中：是倏逝场沿垂直电子运动方向波矢，是倏逝场沿电子运动方向波矢。倏逝场沿y方向的场H_y ⁱ可由其x方向的场通过麦克斯韦方程求得。

运动电子激发光栅产生辐射是一个衍射问题，求解该问题空间中的场需要展开为空间谐波的形式。

对于上半空间(z＞0)：

其中：k_x为辐射场在x方向的波矢，L是光栅的周期，n为整数，A_1n是场系数。

对于下半空间(z＜-h)：

其中：A_2n是场系数。

对于光栅区域(-h＜z＜0)：

其中：U_y和S_x为满足光栅区域本征值方程的解，可表示为：

其中：w_m,i和q_i为光栅本征矩阵W＝A^-1B的元素和其本征值的正平方根，C和A是介电常数和介电常数倒数的傅里叶变换矩阵，K_x是对角矩阵，其对角元素为k_xi，I是单位矩阵，Q是对角元为q_i的对角矩阵，和为由边界条件确定的未知系数。

匹配以下边界条件，可以确定所有区域的场。

确定了所有区域的场后，可以计算辐射频谱、场分布等辐射问题。

附图说明

图1为运动电子激发狄拉克半金属透射光栅结构在XOZ平面内的剖面示意图，从下到上分别是狄拉克半金属透射光栅和运动电子。

图2中a为一阶腔体SPPs模式的辐射场分布图；图2中b为二阶腔体SPPs模式的辐射场分布图；图2中c为常规SPPs模式的辐射场分布图；图2中d为一阶腔体SPPs模式在光栅区域的场分布图；图2中e为二阶腔体SPPs模式在光栅区域的场分布图；图2中f为常规SPPs模式在光栅区域的场分布图。可以看到两种SPPs模式的场均能衍射转化为辐射场，但是腔体SPPs模式主要局域在光栅内部，而常规SPPs模式主要局域在光栅表面。

图3为辐射频谱图，有三个辐射频点，对应于一阶、二阶腔体SPPs模式和常规SPPs模式。相比于介质光栅，可以看到SPPs转化为相干的辐射，且辐射功率被SPPs增强两到三个数量级。

图4为光栅缝隙深度和宽度对辐射频率的影响。可见通过改变光栅缝隙深度和宽度可以在太赫兹频段内调谐辐射频率。

具体实施方案

实施例为狄拉克半金属构成的透射式光栅。图1给出了结构在XOZ平面内的剖面示意图，从下到上分别是狄拉克半金属透射光栅和运动电子。对于太赫兹频段，光栅的周期通常在微米量级，其制作需要采用微细加工技术。先用光刻技术制作一个带有周期结构的掩模板，再将掩模板覆盖到一定厚度的狄拉克半金属板上，最后利用刻蚀技术将金属板刻蚀成透射光栅。

狄拉克半金属透射光栅中存在常规SPPs和腔体SPPs两种SPPs模式。常规SPPs模式局域在光栅表面，而腔体SPPs模式局域在光栅缝隙内部。运动电子从阴极发射后从光栅表面掠过时，在满足法布里-珀罗谐振条件和波矢匹配条件时，可以同时激发起这两种SPPs模式，激发起的SPPs模式将通过光栅衍射转化为多个频率的相干太赫兹辐射，如图2和3所示。相比于无SPPs存在的介质光栅，常规SPPs模式将辐射功率增强两个数量级，而腔体SPPs模式将辐射功率增强三个数量级，如图3所示。辐射功率密度能达到10⁴W/cm²，比石墨烯加载光栅结构高一个数量级。结构尺寸在平方厘米量级情况下，该辐射源产生的辐射功率已能满足实际应用对太赫兹源辐射功率的要求。改变光栅缝隙的尺寸可以在太赫兹频段内调谐辐射频率，图4证明了这点。

前面已经描述本发明的一个具体实施例，应该理解这只是以一种示例形式被提出，并无限制性。因此，在不脱离本发明精神和范围的情况下可以作出多种形式上和细节上的变更，这对于熟悉本技术领域的技术人员是显而易见的，无需创造性劳动。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。

Claims (6)

1.一种基于狄拉克半金属透射光栅的多频太赫兹辐射源，它包含由狄拉克半金属材料制成的透射光栅，运动电子从光栅表面掠过激发起光栅中两种类型的表面等离子体波模式，一种是局域在光栅表面的常规表面等离子体波模式，一种是局域在光栅缝隙内部的腔体表面等离子体波模式，两种模式均能被光栅衍射转化为多频相干太赫兹辐射。

2.如权利要求1所述的一种基于狄拉克半金属透射光栅的多频相干太赫兹辐射源，其特征还在于光栅缝隙两边金属侧壁上的表面电荷发生强烈耦合形成腔体表面等离子体波模式，其色散受缝隙宽度影响。

3.如权利要求1所述的一种基于狄拉克半金属透射光栅的多频相干太赫兹辐射源，其特征还在于腔体表面等离子体波模式在光栅缝隙内满足法布里-珀罗谐振条件，缝隙内可存在满足谐振条件的多个腔体模式。

4.如权利要求1所述的一种基于狄拉克半金属透射光栅的多频相干太赫兹辐射源，其特征还在于运动电子激发两种表面等离子体波模式的条件不同，腔体表面等离子体波模式需要同时满足法布里-珀罗谐振条件和波矢匹配条件，常规表面等离子体波模式只需要满足波矢匹配条件。

5.如权利要求1所述的一种基于狄拉克半金属透射光栅的多频相干太赫兹辐射源，其特征还在于辐射频率可通过调节透射光栅结构尺寸在太赫兹频段内进行调谐。

6.如权利要求1所述的一种基于狄拉克半金属透射光栅的多频相干太赫兹辐射源，其特征还在于辐射功率被表面等离子体波增强两到三个数量级。