CN111103654A - 一种二维可调的太赫兹光导天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维可调的太赫兹光导天线，包含主体结构，可移动单元，硅透镜，适配体，太赫兹芯片，电路板等，通过带弹簧的机械结构使带凸台的硅透镜，太赫兹芯片和电路板压合在一起，成为一个完整的太赫兹光导天线，通过旋转调整螺钉可调整硅透镜的位置，使太赫兹芯片产生的信号达到最优。这种二维可调的太赫兹天线，结构方式紧凑，调整过程平稳，能让用户方便地进行操作来获得最好的太赫兹波信号，同时使得太赫兹天线具有较高的集成度，利于太赫兹时域光谱仪的集成化和产业化。

Description

一种二维可调的太赫兹光导天线

技术领域

本发明涉及太赫兹光电子器件技术领域，具体指在太赫兹光谱测量系统中用于产生和探测太赫兹波的光导天线集成器件。

背景技术

太赫兹波一般指频率在0.1-10THz之间的电磁波，其波长大概在0.03-3mm范围内，介于微波与红外之间。该波段在电磁波谱中所处位置特殊，相关理论介于宏观电磁学与微观光子学之间的过渡区间。与传统光源相比，太赫兹波具有瞬态性、低能性、宽带性以及相干性等许多独特的优势。同时，太赫兹波谱也因其极强的透射性、较高的分辨率及与生物大分子作用敏感等良好性能，被应用到越来越多的领域当中。

太赫兹辐射在19世纪已经为人们所发现。然而，由于一直缺乏成熟稳定的辐射源和探测器，太赫兹谱段的物质特性一直是科学界的“真空地带”。直到20世纪80年代，美国Bell实验室发现了砷化镓光电导探测效应，太赫兹发射器和探测器进而相继出现，而一种可靠、稳定的研究太赫兹谱段物质特性的科学工具——太赫兹光谱技术也随即问世，为太赫兹的研究与探索提供了一个行之有效的方法。

太赫兹时域光谱技术是太赫兹技术的典型代表，是一种新兴的、非常有效的相干探测技术，在半导体纳米结构载流子动力学、蛋白质折叠动力学、电解质高频响应等基础研究领域，以及生物分子检测、医学影像、微电子检测方面都有巨大的应用前景，成为上述研究中重要的技术手段，对我国发展材料科学、分子生物学、医学诊断，工业影像等学科具有重要的意义。进行太赫兹时域光谱研究的基础平台装置为太赫兹时域光谱仪。典型的太赫兹时域光谱仪由超快脉冲激光器、太赫兹源、太赫兹探测器及时间延迟控制器等组成。

太赫兹源是太赫兹时域光谱仪中的核心器件之一，而光导天线是目前最为常用的一种太赫兹源。光导天线就是使用高速光电导材料来作为瞬态电流源，从而向外辐射太赫兹。而常用的光电导材料有：高电阻率的砷化镓(GaAs)，磷化铟(InP)，以及用放射法制作的有缺陷的硅(Si)晶片。光电导天线的基本原理是：在这些光电导半导体材料表面淀积上金属电极制成偶极天线结构，金属电极在这里的作用是对这些光电导半导体施加偏压。当超快激光打在两电极之间的光电导材料上时，会在其表面瞬间产生大量的电子一空穴对。这些光生自由载流子会在外加偏置电场和内建电场的作用下作加速运动，从而在光电导半导体材料的表面形成瞬变的光电流。最终这种快速的、随时间变化的电流会向外辐射出太赫兹脉冲。

目前常用的光导天线以砷化镓和低温砷化镓为主，但因其工艺及成本问题，无法使用较厚的砷化镓材料作为光导天线的基底，从而需要其它材料配合来消除和延后由于光导天线后表面产生的回波，并对发射的太赫兹波的发散角起到一定的约束，目前较为常见的办法是在光导天线后面增加硅透镜来进行。如何将硅透镜和光导天线有效的结合到一起，一直是光导天线装配中的核心问题，常见的做法是通过胶粘的办法来进行。这种方法虽然装出来的光导天线体积小巧，但是也存在许多缺陷，比如无法在光路中对硅透镜的位置进行优化、无法更换光导天线及装配成功率低(主要是无法保证在粘接的过程中硅透镜和光导天线之间没有缝隙)等等。本发明提出一种二维可调的太赫兹光导天线，解决上述种种缺陷，实现一种高效的太赫兹辐射源。

发明内容

为了将太赫兹光导天线各核心器件进行集成，并且能方便地让用户进行微调硅透镜的位置来获得最优的太赫兹信号，本发明提出一种二维可调的太赫兹光导天线，包含主体结构，可移动单元，硅透镜，适配体，太赫兹芯片，电路板等，通过带弹簧的机械结构使硅透镜，太赫兹芯片和电路板压合在一起，成为一个完整的太赫兹光导天线，旋转调整螺钉可以调整硅透镜的位置，使太赫兹芯片产生的信号达到最优。

本发明提出的太赫兹光导天线，其中硅透镜的形状为带凸台圆形，该凸台可方便地将硅透镜与适配体进行配合，利用弹簧的压紧力将二者压合在一起。这样做的效果是将硅透镜的球面全部用于发射太赫兹波，不会因为结构原因影响太赫兹波的信号强弱。

本发明提出的太赫兹光导天线，其中在电路板上加工出与太赫兹芯片形状相符的凹槽，将芯片放入凹槽内，然后和硅透镜压合在一起。这样做的效果是避免由于太赫兹芯片尺寸较小造成应力集中而把芯片压碎。本发明中的供电电路板上加工出与太赫兹芯片形状相符的凹槽，装配时将太赫兹芯片放入电路板相应的凹槽中，减少了芯片被压碎的风险，提高了装配成功率。

本发明提出的太赫兹光导天线，其中在硅透镜和太赫兹芯片之间涂有酒精。这样做的效果是能够减少硅透镜和太赫兹芯片之间的间隙，将硅透镜和太赫兹芯片之间涂上酒精，酒精挥发后，在大气压力的作用下，太赫兹芯片和硅透镜紧紧压合在一起，没有间隙，从而提高了装配成功率。

本发明提出的太赫兹光导天线，其中在主体结构中有X-Y可移动单元与适配体相连，X-Y可移动单元一端与调整螺钉相连，一端通过弹簧与主体相连。通过旋转调整螺钉，使可移动单元沿X方向或Y方向移动，进而驱动适配体和硅透镜沿X方向或Y方向移动，实现微调硅透镜的位置。这样做的效果是，通过二维平移来调整硅透镜的位置来消除或延后由于光导天线后表面产生的回波，使太赫兹芯片发出的太赫兹信号达到最优。

本发明提出的太赫兹光导天线，其中在主体结构有三个M6的螺纹孔。这样做的效果是可以将太赫兹光导天线与其他结构体相连，增加通用性，使得太赫兹光导天线能够更广泛的应用于太赫兹光谱仪中，方便系统集成。

附图说明

图1是本发明的太赫兹光导天线的示意图；

101-飞秒激光，102-太赫兹波，103-电路板，104-太赫兹芯片，105-硅透镜，106-适配体，107-可移动单元，108-弹簧，109-调整螺钉，110-主体结构，111-SMA插座，112-M6螺纹孔；

图2是电路板与太赫兹芯片，硅透镜分离后的结构示意图；

201-电路板上的凹槽，202-涂酒精的间隙；

图3是本发明中可移动单元及相关配合体示意图；

301-压簧，302-压簧帽，303-导向垫；

图4是本发明的主体结构上的三个安装孔示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述：

实施例1：

图1是本发明的太赫兹光导天线的示意图。飞秒脉冲激光101穿过103电路板上的孔后聚焦到104太赫兹芯片的金属电极上，产生的太赫兹波102经过105硅透镜后被发射出去。在实际应用中，太赫兹芯片104被放置在电路103上，硅透镜105再和太赫兹芯片压在一起。由于激光束要准确打到硅透镜的中心后发射出去，所以还需要调节硅透镜105的位置以保证激光束的对中。本发明中，将适配体106和可移动单元107之间放置弹簧108来保证太赫兹芯片，电路板，硅透镜压在一起。可移动单元107可以用109整螺钉来驱动，实现X-Y二维移动。主体结构110上有与外界相通的SMA接口111，实现对电路板103供电，同时设置了三个M6的螺纹孔112来实现太赫兹天线与其他结构体进行连接。

硅透镜本身是球体形状，上球面用于发射太赫兹波。为了扩大硅透镜球面的发射面积，本发明中将硅透镜105做成带凸台的球体，硅透镜的凸台与适配体106配合在一起，如图2所示，从而将硅透镜的上球面全部用于发射太赫兹波，避免因为结构原因影响太赫兹波的信号强弱。

一般来说太赫兹芯片104尺寸较小(太赫兹芯片较大的话一方面成本较高，另一方会在外力的作用下碎裂)，如果直接将硅透镜105压在芯片上，芯片又直接放在电路板上，弹簧108的反弹力将直接作用在太赫兹芯片104上，容易造成太赫兹芯片被压碎。因此，本发明将供电电路板103上加工出一个与太赫兹芯片形状相符的凹槽201，如图2所示，将太赫兹芯片104放入电路板相应的凹槽201中，将弹簧108产生的压力均匀分布在电路板103和太赫兹芯片104上，减少了因应力集中而导致芯片被压碎的风险，并且太赫兹芯片在凹槽的限制下，不会随着硅透镜的移动而移动。

因为硅透镜105和太赫兹芯片104之间存在间隙202，如图2所示，所以本发明在装配工艺过程中，将硅透镜105和太赫兹芯片104之间涂上酒精，酒精挥发后，在大气压力的作用下，太赫兹芯片104和硅透镜105会紧紧压合在一起，消除了间隙202，极大的提高了装配效率和装配成功率。

在主体结构的上部，可移动部件结构如图3所示。可移动单元107为正方形，两个方向的调整螺钉109分别顶在可移动单元107的两个互相垂直的直角边上，在调整螺钉的对侧，每个方向分别设置了两个压簧301，为了保证可移动单元移动过程中的平稳性，每个压簧301还应配上压簧帽302和导向垫303。如图3所示，这种二维可调的结构方式既紧凑又平稳，非常适用于驱动硅透镜等小型光学元件，使得太赫兹天线具有较高的集成度。同时，为了方便用户将本发明中的太赫兹天线与其他结构体连接，主体结构中部预留了三个M6的螺纹孔112，如图4所示。

尽管参照上述的实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解可以基于本发明公开的内容进行修改或改进，并且这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。

Claims (6)

1.一种二维可调的太赫兹光导天线，包含主体结构，可移动单元，硅透镜，适配体，太赫兹芯片，电路板等，其特征在于通过带弹簧的机械结构使硅透镜，太赫兹芯片和电路板压合在一起，成为一个完整的太赫兹光导天线，通过旋转调整螺钉可以调整硅透镜的位置，使太赫兹芯片产生的信号达到最优。

2.如权利要求1所述的太赫兹光导天线，其特征在于硅透镜的形状为带凸台圆形，该凸台可方便地将硅透镜与适配体进行配合，利用弹簧的压紧力将二者压合在一起。

3.如权利要求1所述的太赫兹光导天线，其特征在于在电路板上具有与太赫兹芯片形状相符的凹槽，将芯片放入凹槽内，然后和硅透镜压合在一起。

4.如权利要求1所述的太赫兹光导天线，其特征在于硅透镜和太赫兹芯片之间涂有酒精，酒精挥发后，在大气压力的作用下，太赫兹芯片和硅透镜紧紧压合在一起。

5.如权利要求1所述的太赫兹光导天线，其特征在于主体结构中有X-Y可移动单元与硅透镜适配体相连，X-Y可移动单元一端与调整螺钉相连，一端通过弹簧与主体相连。通过旋转调整螺钉，使可移动单元沿X方向或Y方向移动，进而驱动硅透镜适配体和硅透镜沿X方向或Y方向移动，实现微调硅透镜的位置。

6.如权利要求1所述的太赫兹光导天线，其特征在于主体结构有三个M6的螺纹孔，可以方便地将太赫兹光导天线与其他结构体相连，增加通用性。

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