太赫兹(THz)物理、器件及其应用

太赫兹物理、器件及其应用太赫兹（THz）波介于毫米波与红外光之间，频率在0.1-10THz（波长为3毫米-30微米）范围，又称T-射线电磁波谱图辐射能量越强频率（Hz）THz波重要性与X光相比，THz波能量低，不会破坏生物组织，具有很高安全性，适合安检和医学成像与红外光比，THz特征光谱对很多大分子来说更易分辨，可很好地用于鉴别毒品和爆炸物等与微波相比，THz成像分辨率更高；THz通信更保密、安全海洛因THz吸收谱2.4THz机场安检X光检测THz成像研究状况美国：国防部、空军、能源部(THz连续、大功率源)航天局(THz遥感)国家卫生学会(THz医学成像)DARPA欧盟：StarTigerTHz空间 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 、遥感、成像THz-bridge生物医学诊断TeravisionTHz成像器件、THz相机日本：列为十年战略规划首位。发展THz病理诊断、毒品和爆炸物检测技术等中国国家重大需求国家重点管制类毒品THz谱要害部门、场所安全监控全国吸毒人员114万北京2.6万摇头丸THz辐射有望成为一种新的公共安全监控技术THz振荡源:自由电子激光器，气体激光器Gunn振荡器，Bloch振荡器电光晶体半导体THz振荡器THz量子级联激光器（THzQCL）THz探测器:热辐射探测器热电探测器电光晶体THzQWP两个重大基础问题：UCSB的自由电子激光器THz振荡器和探测器各类THz源技术特点自由电子激光器，同步辐射光源输出频率覆盖范围宽输出功率高光束质量好功耗高、体积庞大CO2泵浦小分子气体THz激光器输出频率准连续（更换工作介质可覆盖0.3-7.0THz）输出功率>50毫瓦光束质量高重量约70公斤结构复杂；功耗约3千瓦返波管（BWO）输出频率范围<1.11THz输出功率1-10毫瓦体积约0.5×0.4×0.5立方米功耗600瓦；重量45公斤飞秒激光泵浦、差频THz发生器输出频率范围<3.0THz输出功率低<毫瓦量级功耗高、结构复杂、难于集成Gunn振荡器输出频率范围<1.0THz高频段输出功率低（微瓦）P-Ge振荡器；半导体负有效质量振荡器；基于带内反射的THz振荡器；超晶格Bloch振荡器新器件概念、原型器件阶段，无成熟器件、发展有很大不确定性维吉尼亚公司产品技术参数100-300GHz输出功率1-30mW300-600GHz输出功率0.1-8mW600-900GHz输出功率10-500微瓦1.0-1.7THz输出功率1-60微瓦各类THz探测器技术特点半导体肖特基二极管体积小、重量轻响应频段<2.5THz外差探测，需THz本地振荡源超导体－绝缘体－超导体隧穿结探测器体积小、重量轻探测灵敏度高，逼近量子极限响应频段<1.5THz制冷温度约4K需THz本地振荡源Bolometer；Pyroelectricdetector探测率低响应速度慢，通信速度提不上去无光谱分辨本领利用低维结构中THz引起的等离子体振荡新器件概念，原理型器件阶段THz量子阱探测器按需设计响应频段响应速度快灵敏度较高体积小、稳定、寿命长制冷需求高（20-50K）一、THz探测器与物理二、THz激光器与物理三、THz通信初步THz量子阱探测器(THzQWP)THz量子阱探测器（THzQWP）按需设计响应频段响应速度快灵敏度较高体积小、稳定、寿命长需制冷THz量子阱探测器特点THzQWP主要工作基于THz感生的碰撞离化模型，解释了THz场在低维半导体的吸收规律；合作研制了2-7THzQWPPhys.Rev.Lett.91,237401(2003)Phys.Rev.B69,165203(2004).Appl.Phys.Lett.84,4068(2004)计算了GaAs光学声子吸收对THzQWP的光谱响应的影响;研制了提高THzQWP吸收系数的新结构(改变阱宽和掺杂)，吸收系数超过20%，以实现高速探测InfraredPhysicsandTechnology47,169(2005)IEEEJSelTopQuantElect14,374(2008)研究了多体效应对THzQWP响应峰位影响Appl.Phys.Lett.94,201101(2009)发展了THz感生的碰撞离化模型J.C.Cao,Phys.Rev.Lett.91,237401(2003).J.C.Cao,Phys.Rev.B69,165203(2004).利用THz感生的电子－空穴对的产生机制解释了THz吸收过程。 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明：（1）电子无序散射是低场强和中等场强下的主要决定因素。（2）高场强下的吸收则主要由带间碰撞离化决定。应用于THz探测器设计THz/FIR在石墨烯的吸收THz双层石墨烯纳米带探测器A.R.Wright,J.C.Cao,C.Zhang,Phys.Rev.Lett.103,207401(2009)构造了石墨烯的一个子类—双层纳米带，计算表明，其手性和带间耦合使THz/FIR光学响应显著增强，可达普适电导e2/4ħ的80~140倍可望实现常温的高灵敏度的THz探测器克服了石墨烯在电子学和光子学应用的一个障碍Referee’Comments:Thismanuscriptpredictsthatcertaintypesofnano-ribbonsofbilayergraphenehaveveryhighopticalconductivity.Thisworkwillverylikelymotivateexperiments…一、THz探测器与物理二、THz激光器与物理三、THz通信初步量子级联新结构的应用使得激射波长从红外波段提升了10倍，推进到THz波段(2002)Kohleretal,NATURE417,156(2002)原理：电子从高能级跃迁到低能级释放出THz辐射THz量子级联激光器THzQCL主要工作发展了THzQCLMC模拟程序，设计了基于共振声子散射的THzQCL。研究了子带激光器动力学Phys.Rev.Lett.90,077402(2003)Appl.Phys.Lett.88,061119(2006)J.Appl.Phys.104,043101(2008)完成了THzQCL材料生长、器件制作Appl.Phys.Lett.90,041112(2007)Appl.Phys.Lett.92221105(2008)J.Appl.Phys.103,103113(2008)优化了THzQCL器件设计Semicond.Sci.Technol.23,125040(2008)Semicond.Sci.Technol.24,065012(2009)J.Phys.D:Appl.Phys.42,025101(2009)RoadmapofTHzQCLThefirstTHzQCL-Köhleret.al,Nature2002(Pisa,Italy)Chirped-superlatticeSemi-insulatingsurfaceplasmonwaveguideLasingat4.4THzMaximumoperatingtemperatureof50KJ.Faist,APL2002Q.Hu,APL2003H.C.Liu,NRC,APL87,141102(2005)J.C.Cao’sGroup,SIMIT,Shanghai,2007THzQCLMC模拟MonteCarloMethodUsedtosolvemathematicalproblemsbyrandom-numbertechnologyUsingrandomnumbersinanessentialwaytosimulatescatteringprocessesThedifferential-integralequationsusuallyincludehigh-ordernumericalintegrationsThesemi-classicalBEfortransportofBlochelectrons:Wherecanbereplacedbycollisionintegral:MCsolutionofBoltzmannequationI-V和器件调谐特性模拟与实验Appl.Phys.Lett.,89,211115(2006)J.Appl.Phys.103,103113(2008)J.Appl.Phys.104,043101(2008)Appl.Phys.Lett.92,221105(2008)对于四阱共振声子THzQCL，考虑电子-电子、电子-杂质、电子-LO声子散射以及热声子效应之后，模拟的I-V曲线和实验测量结果十分吻合。设计偏压11kV/cm（对应12V），峰值增益66cm-1，辐射频率4.1THz计算的激射范围：10.2-13V测量的激射范围：10.9-13.3VTHzQCL参数优化Appl.Phys.Lett.92,221105(2008).Semicond.Sci.Technol.23,125040(2008)Semicond.Sci.Technol.24,065012(2009)DUT:Three-wellresonant-phononTHzQCLWehavesimulatedtheeffectsofthreeparameters,i.e.,dopingconcentration,injectionandextractionbarrierwidth,andphononextractionlevelseparationonthedeviceperformance.Designedbias:14.4kV/cmLasingtransitionoccurfromlevel4to3,andlevels3(2)to1areforLO-phonondepopulationOptimizingprocess:Injectionbarrierwidth→extractionbarrierwidth→dopingconcentrationTheoptimizedextractionbarrierwidthformaximalgainis36Å,whichareingoodagreementwiththemeasuredresults.GaindependenceonextractionbarrierwidthAppl.Phys.Lett.92,221105(2008)THzQCL内部温度分布模拟J.Phys.D:Appl.Phys.42,205102(2009)(a)(b)(c)采用有限元 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 模拟计算了THzQCL器件内部的温度分布如图（a）所示。器件有源区的温度要远远高于热沉温度。图（a）中的A、B、C三条直线所对应的温度梯度分别如图（b）（c）所示。THzQCL研制与测试V90GSMBEMaterialgrowthGaAs-SubstrateGaAs-SubstrateGaAs-BufferGaAs-BufferAl0.55Ga0.45AsAl0.55Ga0.45AsGaAsn++GaAsn++Al0.15Ga0.85AsAl0.15Ga0.85AsGaAsGaAsAl0.15Ga0.85AsAl0.15Ga0.85AsGaAsn++GaAsn++Al0.15Ga0.85AsAl0.15Ga0.85AsGaAsGaAsAl0.15Ga0.85AsAl0.15Ga0.85AsGaAsGaAsGaAsn++GaAsn++GaAsn++GaAsn++GaAsn++GaAsn++Al0.15Ga0.85AsAl0.15Ga0.85AsGaAsGaAsAl0.15Ga0.85AsAl0.15Ga0.85AsGaAsn++GaAsn++Al0.15Ga0.85AsAl0.15Ga0.85AsPackageddevicen+GaAsreceptorsubstrateFabricationPowersupplyTHzradiationClusterSimulationTHzQCL研制流程THz量子器件材料生长设备V90GSMBEV80GSMBE气态源分子束外延（GSMBE)系统FTIRSpectroscopyUV-VisSpectroscopyECV,PVS&HallI-V,I-P&C-VX-rayDiffractionTHz器件、材料表征设备THz器件测试光谱测量装置THzQCL器件傅立叶红外光谱仪DTGS探测器温控仪脉冲电源示波器THzQCL焦热电探测器离轴抛物镜聚乙烯窗片THz器件光功率测量THzQCL器件工艺热压键合：0.5MPa，250oC,30min在n+GaAs衬底和样品表面蒸镀欧姆接触和键合用金属层。热压键合去除样品的半绝缘GaAs衬底蒸镀上电极金属刻蚀或腐蚀出条型激光器制作下电极，解理并封装成激光器器件。n+GaAs衬底半绝缘GaAs衬底LaserStructure半绝缘GaAs衬底LaserStructure在n+GaAs衬底和样品表面蒸镀欧姆接触和键合用金属层热压键合去除样品的半绝缘GaAs衬底制作上电极刻蚀或腐蚀条型激光器制作下电极，解理并封装成激光器器件3.2THzQCL研制Lasingat3.2THzinpulsedmodePulsewidth:3μs,repetitionrate:1kHz;Measuredat10KDevicesize:150μm×2mm有源区：束缚态到连续态跃迁设计波导：半绝缘等离子波导Absorption相对湿度较大时,采用FTIR测量的大气距离为10cm的透射谱结果3.39THz(113cm-1)THz频段大气窗口2007年自主生长的材料所制作器件的激射频率2008年以THz频段为载波的无线通信实验中所采用的频点4.1THz(138cm-1)温度：~100K(p),40K(cw)功率：~10mW频率：4.1THz寿命长，稳定性高需要的制冷功耗：5-12Wn+GaAsreceptorsubstrate工作示意图THz辐射电源THzQCL器件通信用4.1THzQCL一、THz探测器与物理二、THz激光器与物理三、THz通信初步THz—尚未分配的波段(THzRange)Unallocated0.3THz30THz3THz当前使用及正将出现的无线通信系统WLAN(WirelessLocalAreaNetworks)-IEEE802.11b,11Mbps,2400-2483.5MHz-IEEE802.11g,54Mbps,2400-2483.5MHz-IEEE802.11a,54Mbps,5150-5350MHz,5470-5725MHz,5725-5825MHz-IEEE802.11n,100Mbps,optionalbiszu600Mbps,Freq.like802.11a-WIGWAMProject,upto1Gbps,5,17,24,60GHz,MIMOWPAN(WirelessPersonalAreaNetworks)-Bluetooth,IEEE802.15.1a,1Mbps,2400-2483.5MHz-High-rateWPANs,IEEE802.15.3a,realized500Mbps,planned1.3Gbps@severalmeters,UWBbased,3.1-10.6GHz-HighdatarateWPANs,IEEE802.15.3c,planned2Gbps@severalmeters,mm-Wave,60GHzband(57-64GHz)目前THz波段尚未分配，可为未来的大容量高速通信提供巨大的带宽资源THz波通信的特点具有其它频段光通信的优点带宽宽高信噪比天线小定向性好散射小安全性高在安全保密通信方面对于空间通信，大气可作为天然屏障，通信过程难以侦测对于地面短距离通信，水气吸收严重，中远程探测极难实现作为新兴技术，可消除在信息接收、发送和监测的盲区电话线BW~50k同轴电缆BW~10M光纤BW~100M射频器件BW~5G毫米波器件BW~50GTHz波器件BW~1TTHz通信—大容量、高速的需求2015年，THz室内和室外通信将分别达到100Gbps和40Gbps以上的通信速率预期的THz通信发展路图NaturePhoton.Vol.1,97(2007)欧洲IPHOBAC的预计2012年,商用无线通信系统的通信速率有望到10GbpsIPHOBAC是欧洲一项开始于2006年(为期三年)的计划，该计划整合了光子学和无线电技术来制作高于30GHz的毫米波光子(mmWP)器件。该计划汇集了6个国家的11个研究机构。未来高速率(百Gbps)信号传输迫切需要THz器件及THz通信系统的快速发展THz通信的主要应用领域THzcarrierwavesBasestation小区超宽带无线通信THzWave室内宽带无线通信空间保密通信战地THz短距离保密通信小结THz研究在近些年内取得了巨大进展我国在THzQCL研制方面取得进展，并形成了研究队伍合理、设备齐全的研究平台THz空间通信有望实现信息的快速、大容量和高保密传输，进行THz通信试验有望在这一领域实现跨越式发展THz空间通信 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 与短波长光通信方案类似，可以借鉴已有技术，但在关键器件研制、特定制冷系统研制等方面具有挑战性和重要意义