CN205067936U - 一种光控动态可编程太赫兹波束方向精密控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光控动态可编程太赫兹波束方向精密控制器，包括：激光器，沿着激光器产生的激发光输出方向依次设置有扩束镜、空间光调制器和半导体薄片，太赫兹源和太赫兹透镜，所述太赫兹透镜设置在太赫兹波经过半导体薄片衍射后的传播路径上，控制器和探测器，控制器的控制输出端连接到空间光调制器，探测器的信号输出连接到计算机，经过太赫兹透镜的太赫兹波输入到探测器。本实用新型取代传统机械式的太赫兹波束方向控制器，利用激发光在半导体上形成的介电常数的周期性光栅结构来对太赫兹波的方向进行精密控制。

Description

一种光控动态可编程太赫兹波束方向精密控制器

技术领域

本发明属于太赫兹科学与技术领域，具体涉及采用光控的可编程方式对太赫兹波束的传播方向精密控制器的方法，本发明适用于绝大部分需要对太赫兹波束传播方向进行精密可编程控制的系统。

背景技术

随着太赫兹源和探测器的快速发展，如今太赫兹技术以及被广泛应用于材料学、生物医学、安检等诸多领域。然而，相对于太赫兹源和探测器的日趋成熟，太赫兹功能器件，如强度相位调制器，低损耗的太赫兹波导，太赫兹透镜相关的进展却较少。例如在太赫兹成像技术中，我们还在采用机械式扫描的方式移动样品或探测器和发射源在x-y方向上的位置，而没有电控或光控的太赫兹转向器件直接调控太赫兹波的传播方向。这种机械式扫描方式在实际应用中具有明显的缺点：1)扫描速度慢：为了成一幅高分辨率图像，往往需要数分钟的时间。虽然通过增加扫描速度，可以缩短成像时间，但是这样会增加驱动系统的负担，使得机械系统不稳定；2)长时重复性差：机械系统扫描完成之后需要复位，对于太赫兹安检仪等需要长时间运转的仪器，长时间运转带来的机械误差会越来越大，最终超出可承受的范围。综上所述机械式扫描太赫兹方向偏转器速度慢，稳定性差的缺点严重限制了太赫兹快速成像领域的应用。因此，为了扩展太赫兹波的应用领域，提高太赫兹系统的性能，我们需要研制非机械式的快速太赫兹波方向偏振控制器件。

发明内容

本发明的目的是通过光控方式对半导体的载流子浓度进行调控，激发光入射到半导体上产生周期性介电常数变化的光栅结构，太赫兹波入射到光栅结构上衍射后的方向发射变化。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种光控动态可编程太赫兹波束方向精密控制器，包括：

激光器，沿着激光器产生的激发光输出方向依次设置有扩束镜、空间光调制器和半导体薄片，

太赫兹源和太赫兹透镜，所述太赫兹透镜设置在太赫兹波经过半导体薄片衍射后的传播路径上，

控制器和探测器，控制器的控制输出端连接到空间光调制器，探测器的信号输出连接到计算机，经过太赫兹透镜的太赫兹波输入到探测器。

在上述技术方案中，所述半导体薄片由基底和镀层组成，所述基底为蓝宝石，所述镀层为硅。

在上述技术方案中，所述蓝宝石基底的厚度为460μm～520μm，所述硅镀层的厚度为18μm～22μm。

在上述技术方案中，所述蓝宝石基底的厚度为500μm，所述硅镀层的厚度为20μm。

在上述技术方案中，所述镀层硅可以用包括但不限于砷化镓、铟砷化镓或对太赫兹敏感的半导体材料代替。

本发明所述控制器的一种控制方法，包括以下步骤：

步骤一:激光器产生的激发光经过扩束镜打在空间光调制器上，通过控制器调制的空间光调制器对激发光进行调制，使得激发光经过空间光调制器后被调制周期性结构；

步骤二：经过调制的激发光打在半导体薄片上，在半导体薄片表面形成周期性介电常数变化的光栅结构；

步骤三：太赫兹源发射出的太赫兹波束入射到半导体薄片，在半导体薄片表面的光栅结构上发生衍射；

步骤四：衍射后的太赫兹波方向将发生偏转，利用太赫兹透镜对太赫兹波进行聚焦，并利用太赫兹波探测器对发生偏转的太赫兹波进行探测，并将探测结果传输到控制器。

在上述方法中，所述步骤二中激发光打在半导体薄片上产生光生载流子，使载流子浓度增加，达到调控半导体介电常数的目的，通过载流子随激发光入射半导体薄片深度的变化利用光学传输矩阵方法计算太赫兹波的反射率和相位随载流子浓度/激发光强的关系。

在上述方法中，入射在光栅结构不同位置的太赫兹波的反射幅度和相位均不同，周期性的调控让太赫兹波在等效的半导体光栅上发生衍射效应，使太赫兹波的方向发生偏转。

在上述方法中，利用闪耀光栅的概念，在一个光栅周期内采用多级阶梯的调制，达到太赫兹波在-1级衍射效率最高的目的。

在上述方法中，所述光栅结构的周期d根据太赫兹波需要偏转的角度θ结合衍射定律dsinθ＝mλ来选取。

本发明的设计理论是：通过光控方式对半导体的载流子浓度进行调控，激发光入射到半导体上，只要激发光的能量大于半导体带隙，将会在半导体中激发出光生载流子；根据Drude模型，半导体内载流子浓度的改变也就对应着半导体在太赫兹波段的介电常数变化；由菲涅尔反射定律可知，当半导体的介电常数发生变化时，入射到空气和半导体界面的太赫兹波的反射率和反射相位都会发生相应的改变；利用空间光调制器对激发光的强度进行调制形成周期结构，周期性光栅结构带来的衍射效应将会对入射到其上的太赫兹波方向进行偏转，而偏转的角度由衍射定律决定。

本发明的整个控制过程的实现分为四个部分：

一是根据Drude模型，半导体的介电常数与电子密度的关系为：其中为半导体等离子频率。N为载流子浓度，m^*为载流子有效质量，τ为载流子寿命。可以看到硅的介电常数与载流子浓度密切相关，而半导体的本征等离子体频率正好处于太赫兹区域，使得其在太赫兹波段的介电常数对载流子浓度的变化非常敏感。通过激发光打在半导体上产生光生载流子，使载流子浓度增加，即达到调控半导体介电常数的目的。

二是考虑光生载流子的随激发光入射随深度的变化，利用光学传输矩阵方法计算太赫兹波的反射率和相位随载流子浓度/激发光强的关系。

三是利用空间光调制器产生周期性的光强调制，在半导体表面形成周期性介电常数变化的光栅结构，根据菲涅尔反射定律，入射在光栅不同位置的太赫兹波的反射幅度和相位均不同。周期性的调控可以让太赫兹波在等效的半导体光栅上发生衍射效应，使太赫兹波的方向发生偏转。而根据衍射定律，对于正入射的太赫兹波dsinθ＝mλ，太赫兹波的衍射角度，亦即偏转角度θ可以通过改变光栅的周期d来控制。

四是利用闪耀光栅的概念，在一个光栅周期内采用多级阶梯的调制，从而达到让太赫兹波在-1级衍射效率最高的目的。传统光栅结构的绝大部分能量衍射均为0级衍射，而0级衍射无法改变太赫兹波的方向，因此利用传统光栅结构来实现太赫兹波束方向的控制对太赫兹波的能量利用率非常低。我们采用闪耀光栅的设计理念，让太赫兹波偏转到-1级方向，会大大提高偏转后太赫兹波能量利用率。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：取代传统机械式的太赫兹波束方向控制器，利用激发光在半导体上形成的介电常数的周期性光栅结构来对太赫兹波的方向进行精密控制。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明的光控动态可编程太赫兹波束方向精密控制器的原理图；

图2是本发明中半导体薄片结构以及硅中光生载流子的空间分布示意图；

图3是控制器上反射的太赫兹波的振幅与载流子浓度关系图；

图4是控制器上反射的太赫兹波的相位与载流子浓度关系图；

图5是设计获得的光栅结构振幅和相位随位置的关系；

图6是入射到半导体光栅结构上的太赫兹波的衍射图案；

图7是不同太赫兹频率下的衍射图；

其中：1是激光器，2是扩束镜，3是空间光调制器，4是半导体薄片，5是太赫兹透镜，6是太赫兹探测器，7是控制器，8是太赫兹源。

具体实施方式

如图1所示为本发明的光控可编程太赫兹波束方向精密控制器的原理图，该系统包括：激光器、光学扩束镜、空间光调制器、半导体薄片、太赫兹源和探测器件、太赫兹透镜(HDPE)以及控制器等。图中半导体薄片采用硅，砷化镓，铟砷化镓等对太赫兹敏感的半导体材料均可以。系统工作方式为：激光器产生的的激发光经过光学扩束系统后打在空间光调制器上；由计算机编程调制的空间光调制器对激发光进行调制，使得激发光经过空间光调制器后被调制周期性结构；经过调制的激发光打在半导体器件上，形成光栅结构，随后太赫兹波束入射到该光控的半导体光栅结构上发生衍射；衍射后的太赫兹波方向将发生偏转，利用太赫兹透镜对太赫兹波进行聚焦，并利用太赫兹波探测器对发生偏转的太赫兹波进行探测。

图2为本发明半导体薄片的结构示意图，这里采用的是硅镀在蓝宝石基底上，蓝宝石基底的厚度选择为500μm，硅的厚度选择为20μm。硅可以用其他的对太赫兹波敏感的半导体代替，蓝宝石基底也根据需要采用对激发光透明的其他材料。这里我们考虑到硅对激发光的吸收，该效应导致光强随着其深入硅片的距离呈指数衰减，即光生载流子浓度也随距离指数衰减。载流子浓度随距离的关系可以用公式来表示，其中n₀为硅表面的载流子浓度，x为深入硅片的距离，d_p为穿透深度，对于532nm的激发光d_p＝0.5μm。

图3、图4为利用传输矩阵法计算的入射到半导体器件上太赫兹波的反射特性与载流子浓度的关系，我们采用多层膜方法将该半导体器件分解为m个薄膜层，第m-1和第m层薄膜界面两边的场幅度的分布由方程关联；

$\left(\begin{array}{c}{E}_{m-1}^{+}\\ E_{m-1}^{-}\end{array}\right)=I_{m-1,m}\left(\begin{array}{c}{E}_{m-1}^{{+}^{\′}}\\ E_{m-1}^{{-}^{\′}}\end{array}\right)$

其中 $I_{m-1,m}=\frac{1}{t_{m-1,m}}\left(\begin{array}{cc}1& r_{m-1,m}\\ r_{m-1,m}& 1\end{array}\right),$ t_m-1,m和r_m-1,m分别为第m-1和m种介质界面的透过和反射的菲涅尔系数。在第m中介质两个边界的电场强度的关系为

$\left(\begin{array}{c}{E}_m^{{+}^{\′}}\\ E_m^{{-}^{\′}}\end{array}\right)=P_m\left(\begin{array}{c}{E}_m^{+}\\ E_m^{-}\end{array}\right)$

其中 $P_m=\left(\begin{array}{cc}{e}^{-{\mathrm{i\δ}}_m}& 0\\ 0& e^{-{\mathrm{i\δ}}_m}\end{array}\right)$ 为相位传输矩阵，而为经过第m层薄膜的相移，λ为入射波长，n_m和d_m分别为第m层薄膜的折射率和厚度，而为光线在第m层薄膜传播时与界面法线的夹角。通过一层一层的迭代，整个多层膜结构的左右两个界面的电场幅度可以用一下的传输矩阵联系起来， $\left(\begin{array}{c}{E}_0^{+}\\ E_0^{-}\end{array}\right)=T_{0,(N+1)}\left(\begin{array}{c}{E}_{N+1}^{{+}^{\′}}\\ E_{N+1}^{{-}^{\′}}\end{array}\right),$ 这里T_0,(N+1)＝I₀₁P₁I₁₂P₂I₂₃…P_NI_N,(N+1)为总传输矩阵。根据电磁场的边界条件，整个多层膜的反射和透射系数可以用总传输矩阵的元素来表示：r＝T₂₁/T₁₁,t＝1/T₁₁。图3图4即为图2中所示半导体结构在1THz频率下的反射系数的振幅和相位随载流子浓度变化的曲线。

图5、图6是根据图3、图4的反射系数随载流子浓度变化曲线设计的闪耀光栅结构，在这里光栅的周期为波长的两倍，入射到该结构上的太赫兹波的衍射图像如图6所示。可以看到有别于传统均匀光栅的衍射图案，其-1级的衍射效率最高。采用这种结构，我们有效的偏转了太赫兹波的传播方向。而根据衍射定律，通过改变光栅结构的周期，我们可以改变衍射角度。

图7为针对不同波长下设计的光栅结构，这些光栅结构的周期均为对应波长的两倍，因此其太赫兹波的偏转角度均为30度。由此可知我们的系统在太赫兹波段的不同频率均有通用的特性。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (5)

1.一种光控动态可编程太赫兹波束方向精密控制器，其特征在于包括：

激光器，沿着激光器产生的激发光输出方向依次设置有扩束镜、空间光调制器和半导体薄片，

太赫兹源和太赫兹透镜，所述太赫兹透镜设置在太赫兹波经过半导体薄片衍射后的传播路径上，

控制器和探测器，控制器的控制输出端连接到空间光调制器，探测器的信号输出连接到控制器的输入，经过太赫兹透镜的太赫兹波输入到探测器。

2.根据权利要求1所述的一种光控动态可编程太赫兹波束方向精密控制器，其特征在于所述半导体薄片由基底和镀层组成，所述基底为蓝宝石，所述镀层为硅。

3.根据权利要求2所述的一种光控动态可编程太赫兹波束方向精密控制器，其特征在于所述蓝宝石基底的厚度为460μm～520μm，所述硅镀层的厚度为18μm～22μm。

4.根据权利要求3所述的一种光控动态可编程太赫兹波束方向精密控制器，其特征在于所述蓝宝石基底的厚度为500μm，所述硅镀层的厚度为20μm。

5.根据权利要求2所述的一种光控动态可编程太赫兹波束方向精密控制器，其特征在于所述镀层硅可以用包括但不限于砷化镓、铟砷化镓或对太赫兹敏感的半导体材料代替。