CN112909496A - 一种太赫兹光电导天线探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种太赫兹光电导天线探测器，包括：衬底、偶极子天线和开口谐振环。偶极子天线与开口谐振环设置于衬底上表面，利用开口谐振环增加了电磁波与用作衬底的半导体材料的相互作用，提高了太赫兹电场的局域增强作用，提高了太赫兹波与探测器的耦合能力，增强了探测器的光电转化效率和探测率。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹技术领域，特别是涉及一种太赫兹光电导天线探测器。
背景技术
太赫兹光波是一种波长介于微波和红外波之间的电磁波，其频率约为0.1-10THz。太赫兹光子能量较低、透射性好，可用来进行无损检测，很多大分子的振动、转动的特征频率与太赫兹波段重合，在太赫兹波段都有明显的共振吸收峰，可用来进行物质检测。太赫兹波的时域频谱稳定性好，信噪比高于傅立叶变换红外光谱技术，非常适用于成像应用。太赫兹波段相干性好、覆盖范围广，是下一代无线通信的有利备选波段。
基于以上潜在应用，太赫兹技术成为基础研究和前沿研究的热门科学技术领域。发展高速、高灵敏、可室温工作的太赫兹光电导天线探测器件是实现太赫兹技术的重要突破口，提高光与器件耦合能力和光电转化效率是太赫兹探测的关键课题。目前的商用太赫兹光电导天线探测器包括热释电太赫兹光电导天线探测器，热辐射计和肖特基二极管。通常，热释电探测器的响应速度比较慢；肖特基二极管工作频率比较低，工艺复杂；热辐射计需要在低温工作条件。另外，量子阱太赫兹光电导天线探测器很容易受到热扰动的影响；场效应晶体管太赫兹光电导天线探测器的量子效率还比较低。
因此，本领域亟需一种能够实现对太赫兹电场的高效耦合的技术方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种太赫兹光电导天线探测器，利用开口谐振环对电场的局域增强来增强太赫兹电场，从而提高太赫兹探测效率，实现对太赫兹电场的高效耦合。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种太赫兹光电导天线探测器，所述探测器包括：
衬底；
偶极子天线，设置于所述衬底上表面；所述偶极子天线包括两对称设置的天线，且两所述天线之间设有间隙；
开口谐振环，设置于所述衬底上表面；所述开口谐振环包括两个具有开口的框，两所述框的开口相对设置，且两所述框沿两开口之间的中心线镜像对称；
所述开口谐振环的两开口朝向两所述天线之间的间隙；
所述开口谐振环为LC谐振结构，用于将太赫兹电场控制在两所述天线之间的间隙处，增强所述太赫兹电场。
可选的，所述开口谐振环为方形或圆形开口谐振环。
可选的，所述偶极子天线由共面的左右对称的两个T型结构组成；
两个所述T型结构沿竖直边的底部相对设置；两个所述T型结构呈镜像对称结构设置。
可选的，所述开口谐振环与所述偶极子天线共面设置。
可选的，所述偶极子天线为偶极子光电导天线。
可选的，通过调节两所述框的开口间隙宽度调节所述太赫兹电场强度。
可选的，通过调节所述开口谐振环的开口深度调节所述太赫兹电场强度。
可选的，所述偶极子天线和所述开口谐振环材料均为Au；
所述衬底为低温砷化镓；
所述衬底生长温度在200-300℃，退火温度在350-550℃。
一种太赫兹光电导天线探测器的探测方法，所述方法包括:
使飞秒激光入射探测器衬底的上表面，使太赫兹波入射探测器衬底的下表面；
利用所述LC谐振结构与所述偶极子天线增强所述太赫兹波产生的电场；
使增强后的电场与所述衬底作用，发生载流子运动，得到光电流信号；
通过所述飞秒激光对所述增强后的电场和所述光电流信号进行采样，获得作用后的太赫兹信号。
一种太赫兹光电导天线探测器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
通过磁控溅射的方法在衬底上蒸镀偶极子天线和开口谐振环。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
1)开口谐振环增加了电磁波与用作衬底的半导体材料的相互作用，提高了太赫兹电场的局域增强作用，提高了太赫兹波与探测器的耦合能力，增强了探测器的光电转化效率和探测率。
2)开口谐振环的尺寸、间隙、材料等有着较大的设计空间，可以根据实际需要进行调节，从而实现不同频率的太赫兹探测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的太赫兹光电导天线探测器的立体示意图。
图2为本发明实施例一提供的太赫兹光电导天线探测器的结构示意图。
图3为本发明实施例一提供的太赫兹光电导天线探测器的主要作用示意图。
图4为本发明实施例一提供的太赫兹光电导天线探测器的中心频点下太赫兹电场强度随开口谐振环宽度变化的关系示意图。
图5为本发明实施例一提供的太赫兹光电导天线探测器的中心频点下太赫兹电场强度随开口谐振环宽度变化的关系示意图。
图6为本发明实施例一提供的太赫兹光电导天线探测器的光谱对照图。
图7为本发明实施例一提供的太赫兹光电导天线探测器的探测方法的控制流程图。
符号说明：1为衬底，2为偶极子天线，3为开口谐振环。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种太赫兹光电导天线探测器，利用开口谐振环对电场的局域增强来增强太赫兹电场，从而提高太赫兹探测效率，实现对太赫兹电场的高效耦合。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一：
如图1所示，本发明实施例提供了一种太赫兹光电导天线探测器，包括：
衬底1；
偶极子天线2，设置于衬底1上表面；偶极子天线2包括两对称设置的天线，且两天线之间设有间隙；
开口谐振环3，设置于衬底1上表面；开口谐振环3包括两个具有开口的框，两所述框的开口相对设置，且两框沿两开口之间的中心线镜像对称；开口谐振环3的两开口朝向两所述天线之间的间隙；开口谐振环3为LC谐振结构，用于将太赫兹电场控制在两所述天线之间的间隙处，增强所述太赫兹电场。
请参阅图2，整个探测器由上下2层组成，衬底1位于整个探测器底层，偶极子天线2和开口谐振环3共面位于衬底1的上表面，偶极子天线2由共面的左右对称的两T型结构留有一定间隙排列组成，两T型结构沿竖直边的底部相对设置；两个所述T型结构呈镜像对称结构设置；开口谐振环3加载在偶极子天线2的平行微带线中间上下两侧开口正对着的位置。
作为一种可选的实施方式，本发明实施例中的开口谐振环3为方形、圆形或者其余形状的对称开口谐振环。偶极子天线2为偶极子光电导天线。
值得说明的是，偶极子天线2和开口谐振环3材料均为Au；衬底1为低温砷化镓；衬底1的生长温度在200-300℃，退火温度在350-550℃。
该探测器主要工作原理是当飞秒激光与较低能量的太赫兹波入射该结构时，该结构增强入射太赫兹波产生的电场，与半导体衬底材料作用后，发生载流子运动，进而得到光电流信号，最后通过飞秒激光对增强后的太赫兹电场和光电流信号采样进而获得作用后的太赫兹信号。具体作用示意图如图3所示。
此外，本发明实施例提供的太赫兹光电导天线探测器还可以根据需要进行调节太赫兹电场的强度，通过调节开口谐振环3两框的开口间隙宽度调节和开口谐振环3的开口深度均能够调节太赫兹电场强度。
将本发明实施例提供的探测器使用电磁仿真软件CST完成仿真结果对比，分析偶极子天线2的间隙宽度恒定时，改变开口谐振环3的开口间隙宽度，得到中心频点下太赫兹电场强度随开口谐振环3的开口间隙宽度变化的关系，如图4所示。分析改变开口谐振环3的开口深度，得到中心频点下太赫兹电场强度随开口谐振环3的开口深度变化的关系，如图5所示。可以看出，开口谐振环3的开口间隙大小以及开口的深度对太赫兹电场有很大的影响，通过调整开口谐振环尺寸以及开口间隙大小可以得到使太赫兹电场得到最佳增强。另外也可以针对感兴趣的某一频点调整开口谐振环尺寸和开口间隙大小使该频点的电场强度得到增强，从而提高探测效率。
本发明实施例提供的太赫兹光电导天线探测器增加了电磁波与用作衬底的半导体材料的相互作用，提高了太赫兹电场的局域增强作用，提高了太赫兹波与探测器的耦合能力，增强了探测器的光电转化效率和探测率。将该探测器使用电磁仿真软件CST完成仿真结果对比，分析加载有开口谐振环3和无开口谐振环的偶极子光电导天线。得到如图6所示的光谱对照图。从图6可以看出，加载开口谐振环3的偶极子光电导天线的电场强度较无开口谐振环的结构有了显著增强。
如图7所示，本发明实施例还提供了一种太赫兹光电导天线探测器的探测方法，所述方法包括:
S1、使飞秒激光入射探测器衬底1的上表面；使太赫兹波入射探测器衬底1的下表面；
S2、利用所述LC谐振结构与所述偶极子天线2增强所述太赫兹波产生的电场；
S3、使增强后的电场与所述衬底1作用，发生载流子运动，得到光电流信号；
S4、通过所述飞秒激光对所述增强后的电场和所述光电流信号进行采样，获得作用后的太赫兹信号。
此外，本发明实施例还提供了一种太赫兹光电导天线探测器的制备方法，，所述方法包括：
通过磁控溅射的方法在衬底1上蒸镀偶极子天线2和开口谐振环3。
偶极子天线2和开口谐振环3共面，且位于衬底1的上表面，偶极子天线2和开口谐振环3材料均为Au；衬底1为低温砷化镓；衬底1的生长温度在200-300℃，退火温度在350-550℃。
本发明实施例提供的太赫兹光电导天线探测器，利用开口谐振环增加了电磁波与用作衬底的半导体材料的相互作用，提高了太赫兹电场的局域增强作用，提高了太赫兹波与探测器的耦合能力，增强了探测器的光电转化效率和探测率。同时，开口谐振环的尺寸、间隙、材料等有着较大的设计空间，可以根据实际需要进行调节，从而实现不同频率的太赫兹探测。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种太赫兹光电导天线探测器，其特征在于，所述探测器包括：
衬底；
偶极子天线，设置于所述衬底上表面；所述偶极子天线包括两对称设置的天线，且两所述天线之间设有间隙；
开口谐振环，设置于所述衬底上表面；所述开口谐振环包括两个具有开口的框，两所述框的开口相对设置，且两所述框沿两开口之间的中心线镜像对称；
所述开口谐振环的两开口朝向两所述天线之间的间隙；
所述开口谐振环为LC谐振结构，用于将太赫兹电场控制在两所述天线之间的间隙处，增强所述太赫兹电场。
2.根据权利要求1所述的太赫兹光电导天线探测器，其特征在于，所述开口谐振环为方形或圆形开口谐振环。
3.根据权利要求1所述的太赫兹光电导天线探测器，其特征在于，所述偶极子天线由共面的左右对称的两个T型结构组成；
两个所述T型结构沿竖直边的底部相对设置；两个所述T型结构呈镜像对称结构设置。
4.根据权利要求3所述的太赫兹光电导天线探测器，其特征在于，所述开口谐振环与所述偶极子天线共面设置。
5.根据权利要求1所述的太赫兹光电导天线探测器，其特征在于，
所述偶极子天线为偶极子光电导天线。
6.根据权利要求1所述的太赫兹光电导天线探测器，其特征在于，
通过调节两所述框的开口间隙宽度调节所述太赫兹电场强度。
7.根据权利要求1所述的太赫兹光电导天线探测器，其特征在于，
通过调节所述开口谐振环的开口深度调节所述太赫兹电场强度。
8.根据权利要求1所述的太赫兹光电导天线探测器，其特征在于，
所述偶极子天线和所述开口谐振环材料均为Au；
所述衬底为低温砷化镓；
所述衬底生长温度在200-300℃，退火温度在350-550℃。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的太赫兹光电导天线探测器的探测方法，其特征在于，所述方法包括:
使飞秒激光入射探测器衬底的上表面，使太赫兹波入射探测器衬底的下表面；
利用所述LC谐振结构与所述偶极子天线增强所述太赫兹波产生的电场；
使增强后的电场与所述衬底作用，发生载流子运动，得到光电流信号；
通过所述飞秒激光对所述增强后的电场和所述光电流信号进行采样，获得作用后的太赫兹信号。
10.一种如权利要求1-8任一项所述的太赫兹光电导天线探测器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
通过磁控溅射的方法在衬底上蒸镀偶极子天线和开口谐振环。
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