第7章-激光器介绍

1.热电偶回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即接触电势和温差电势。12（1）接触电势0()lnAABBkTnETen（2）温差电势00000n(,)(lnln)()TAAABABTBBTnTkETTTTdTenTnT回路接触电势回路温差电势ABT0T接触电势EAB(T)EAB(T0)0,BETT0,AETT知识回顾2.热释电探测器3.高莱探测器太赫兹波探测器的研究背景及意义宽频性：0.1THz~10THz(30um~3mm)。透视性：对非极性物质有很强的穿透能力（对不透明物体进行透视成像）。安全性：1THz光子的能量为4.1meV，约为X射线光子能量的1/100（可用于旅客的安全检查）。可用于物质的光谱分析：大量极性分子的振动和转动能级正好处于THz波频段。目前太赫兹光源的辐射功率普遍都比较低，因此发展高灵敏度、高信噪比的太赫兹探测技术尤为重要。4.太赫兹波探测器Bolometer：4.2K容易受到各种热源的干扰不便于携带PyroelectricDetector：低速Golaycell：灵敏度较差探测效率较低SchottkyDiode：0.1THz~1THzRoomtemperatureHighresponsivityLowNEPandHigh-speed太赫兹波探测器的研究背景及意义5Germanteam（U.R.Pfeiffer,E.Öjefors,A.Lisauskas,D.Glaab,andH.G.Roskos,etal）InstituteforHigh-FrequencyandCommunicationTechnology，UniversityofWuppertal0.25mm-SiCMOS,3x5FPA(readoutcircuitsintegrated)5.3mA/Wor150V/W@650GHzNEP~0.5nW/Hz0.5Self-mixingPanasonicCorp.（TohokuUniversity,Japan(2010)）68thDeviceResearchConference2010,NanoT-gate(80nm)GaN/AlGaN-HEMTR~1100V/[e-mail]关于太赫兹探测器的一些最新研究进展Patchantennas&NanogateDipoleantenna&Nanogate用FDTD模拟设计适合自混频探测原理的天线结构和滤波器等。模拟设计设计光刻板，首先从工艺制作上证明单步工艺的可行性，并进行整体器件的加工。器件加工搭建THz探测的电学和光学测试系统（包括PCB板，偏振片，三维手动微动平台等）测试分析结构优化对测试结果进行分析，并反馈设计，优化器件结构，最终实现高灵敏度，高响应度和较低的NEP。研究方法自混频探测的模型及原理工作原理图CMOSorHEMT0gdsdsiGV（V）ggg=cos=cos+dsdsdsdsdsggVVVVVVVVVV（）（）背景电流光电流0gds0gg1+cos2dsdsiGGV（V）V（V）V（）a.选用电子迁移率较高的材料b.设计高效的太赫兹混频天线栅控能力天线耦合效率天线收集并增THz电场跟HEMT器件的相互作用，进而提高探测效率。隔离天线跟引线电极，用以保证天线的谐振性能。滤波器HEMT器件整体结构1.裂片，清洗，光刻，ICP刻蚀2.ALD生长AL2O33.欧姆窗口腐蚀4.蒸金，剥离和退火5.光刻制作电子束对准标记，蒸金，剥离，电子束曝光，蒸金，剥离6.光刻，蒸金，剥离制作天线和pad工艺流程chopper检测信号参考探测器HR-SiBSiTDGSRgVgVdsLock-inAmp.Sig.Amp.Ref.A/V测试装置图测试电路连接示意图I-V电导跨导ITHz-Vg响应度等效噪声功率响应频谱响应速度偏振特性场效应基本特性测试太赫兹检测特性测试BWO:0.85THz~0.95THz,P~50nWChopper：0~4KHzPEdetector:6x103V/W@317Hz测试及优化测试及优化_无特意设计天线结构11验证测试光路和测试系统;初步检测到微弱的光电流初步检测到微弱的光电流；响应度约为10V/W;跟自混频模型吻合；低温下光电流增加（低温下电子的迁移率增加)Spad=100um,Lg=2um,Lw=8um,Lds=8um0.00.10.20.30.40.50.6-4-3-2-100123456G(300K)G(77K)G(mS)0.00.40.81.2dG/dVg(300K)dG/dVg(77K)dG/dVg(a.u.)300K77Kfit(300K)fit(77K)photocurent(nA)Vg(V)903GHzx10CharacterizationofaroomtemperatureterahertzdetectorbasedonaGaN/AlGaNHEMTH,JournalofSemiconductors.32,064005(2011).Lds=8um,Lg=2um,Santenna=20umx45um,Spad=200umx200um,双极子天线器件三极子蝶形共振天线器件RV=180V/WRV=25V/W1ststep:双极子天线to三极子蝶形共振天线EnhancementofTerahertzcouplingefficiencybyimprovedantennadesigninGaN/AlGaNHEMTdetectors,ChinesephysicsB,21,10.(2012).-4-3-2-100.00.20.40.60.81.01.21.41.6Photocurrent(nA)Vg(V)-5-4-3-2-100.00.20.40.60.81.0Photocurrent(nA)Vg(V)Rx7RV=25V/WRV=180V/Wnanogate(700nm)90umsourcedrainfiltersOhmiccontactsgatenanogate(700nm)sourcedrainOhmiccontactsgate90um三极子蝶形共振天线+纳米栅三极子蝶形共振天线+纳米栅+滤波器RV=250V/WRV=1050V/WLds=5um,Lg=700nm,Santenna=20umx45um,Spad=200umx200um,电学特性光学特性2ndstep::三极子蝶形共振天线器件对比RoomtemperatureGaN/AlGaNself-mixingterahertzdetectorenhancedbyresonantantennas,AppliedPhysicsLetters.98,252103(2011)-4-3-2-100.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8Photocurrent(nA)Vg(V)-4-3-2-100.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8Photocurrent(nA)Vg(V)Rx4RV=250V/WRV=1050V/WSEM图片器件的特征尺寸参数3ndstep::三极子蝶形共振天线+微米栅器件的优化EnhancementofTerahertzcouplingefficiencybyimprovedantennadesigninGaN/AlGaNHEMTdetectors,ChinesephysicsB,21,10.(2012).室温下不同器件的测试优化结果响应度0.00.51.01.52.0-4-3-2-102468Rv(V/W)77K300K77KVg(V)300K77K77KRi(A/W)300K@x30f=937GHzP0=220nW以器件#4为例进行测量室温下器件的响应度达到了9.45x102V/W。低温下器件的响应度超过了8KV/W。PEHEMT57.4WWPE探测器真实能量：PEPEPEWVRPEV为PE响应度PER为PE响应电压HEMTV(HEMT)(HEMT)R=P/WHEMT探测器真实能量：#4：Spad=200um,Lg=2um,Lw=5um,Lds=4um等效噪声功率idsiVN=4NEP=N/RTGB0.00.40.81.2-4-3-2-100123G(mS)77K300KNi(pA/Hz1/2)Vg(V)77K300K-4-3-2-110-1310-1110-910-7NEP(W/Hz1/2)Vg(V)experimental@300Kexperimental@77Kthermal@300Kthermal@77K以器件#4为例进行测量室温下器件的NEP达58pW/Hz0.5。低温下器件的NEP达到4pW/Hz0.5。偏振特性天线具有良好的偏振特性。THz电场平行于天线的长边时：器件的响应最大。THz电场垂直于天线的长边时：器件的响应最小。偏振特性：RoomtemperatureGaN/AlGaNself-mixingterahertzdetectorenhancedbyresonantantennas,AppliedPhysicsLetters.98,252103(2011)响应速度以器件#4为例进行测量室温下铁电探测器的响应速度低于500Hz室温下测辐射热计在4KHz的调制频率下，衰减了将近10倍。室温下HEMT探测器的响应速度远高于4KHzBolometerPEdetectorHEMTdetector500Hz接近4KHz远高于4KHz光谱响应4006008001000120014000123i(normalized)f(GHz)300K77Kx100antennaresponseHigh-responsivity,low-noise,room-temperature,self-mixingterahertzdetectorrealizedusingfloatingantennasonaGaN-basedfield-effecttransistor,AppliedPhysicsLetters.100,013506(2012)80085090095010000123interferencei(normalized)f(GHz)300K77Kx100antennaresponse840860880900920940123Photocurrent（nA）Frequency（THz）PE探测器HEMT探测器整体面积为：2mm*4mm每个单元的面积约为：0.6mm2测试结果加工结果探测器的应用研究_线阵列探测器0.000.040.080.120.000.050.100.150.20-4-3-2-1012340.00.51.01.5G(mS)dG/dVg(mS/V)i(nA)Vg(V)shifted+0.5Vforclarity(a)(b)(c)光电流偏差10%探测器的应用研究_扫描成像EnhancementofTerahertzcouplingefficiencybyimprovedantennadesigninGaN/AlGaNHEMTdetectors,ChinesephysicsB,21,10.(2012).探测器的应用研究_快速傅里叶分析第七章激光器介绍孙云飞内容7.1LD发展简史7.2LD的三个要素7.3产生激光的三个条件7.4LD基本物理原理7.4.1黑体辐射7.4.2光与物质的相互作用参考书1《电荷耦合器件原理与应用》王以铭科学出版社1987年2《CCDArraysCamerasandDisplays》GeraldC.HolstSPIE19981916年，爱因斯坦提出了“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。1958年，贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文，奠定了激光发展的基础。7.1激光的发展简史这两次发明开创了传统的固体激器和气体激光器的时