CN103368042A - 基于半导体超短脉冲激光器的太赫兹源设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于半导体超短脉冲激光器的太赫兹源设备，其包括：半导体超短脉冲激光器，其用于产生超短脉冲激光束；半导体光放大器，其用于放大所述超短脉冲激光束；光电导天线或电光晶体，其用于在收到所述放大后的超短脉冲激光束激发后产生太赫兹波。本发明将半导体超短脉冲激光器和半导体光放大器以及光电导天线或电光晶体结合在一起，搭建出有效的太赫兹源。和传统的太赫兹源设备相比，体积大大缩小，成本降低，转换效率提高，可以解决太赫兹源的微型化和普及化的问题。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹(THz)光谱技术领域，特别是涉及一种基于半导体超短脉冲激光器的太赫兹源设备。
背景技术
太赫兹(THz)波通常是指频率在0.1～10THz(波长介于微波与红外波之间的0.03～3毫米范围)的电磁波，直到上世纪80年代中期以前，人们对这个频段的电磁波特性知之甚少，形成了远红外线和毫米波之间所谓的“太赫兹空隙”，对THz波段广泛的研究兴趣还是在20世纪80年代中期以超快光电子学为基础的脉冲THz技术产生以后。近20年来，随着低尺度半导体技术、超快激光技术以及超快光电子技术的飞速发展，THz技术表现出了极大的应用潜力。开发THz波技术将对宽带通信、雷达探测、电子对抗、电磁武器、天文学、无标记基因检查、细胞成像、无损检测、生化物检查、粮食选种，菌种优选等多领域的技术发展带来深远影响。
THz在上述领域具有非常广阔的应用前景，但是至今THz技术终究没有大规模走出实验室，进入人类的生产生活，主要原因是由于在高于100GHz的频率上，传输元件和介质的损耗急剧增大，无线电接收装置的灵敏度降低，有效产生振荡的困难程度增加，对工作仪器和微波传输***元件的制造精度要求提高，从而使得THz波在发射、传播和探测等方面还有一些关键问题没有得到圆满解决，这些问题阻碍了这种有价值的技术走向实际应用，所以在这些领域的每一项突破性研究成果都会将THz技术的转化推进一大步。而追根朔源，THz技术的龙头牵引力量依旧是THz波源技术，高效辐射技术的缺乏严重阻碍了各种相关研究的进一步深入，有必要集中力量解决THz波产生的关键问题。
高效率的THz辐射源是实现THz-TDS技术、THz诊断、THz成像、THz雷达和THz通信等技术的关键。但常见的THz辐射源，还存在一些关键问题有待于解决。
利用电子器件产生THz辐射是一种常见的THz辐射源，包括耿式(Gunn)振荡器，布洛赫(Bloch)振荡器、回波振荡器(BWO)、冷等离子体等，这类发射器利用电子基频振荡来实现THz输出，体积较小，结构紧凑，造价较低，但是由于产生于电子振荡，其输出频率基本都在几百GHz以内，且输出频带窄，辐射功率低，不能满足高频段的应用需求。(参见文献：H.Eisele，“Recent advances in the performance ofInP Gunndevices and GaAs TUNNETT diodes forthe 100-300GHz frequency range andabove”，IEEETrans.on Microwave Theory and Techniques48(2000)626.)
THz量子级联激光器(QCL)通过半导体内部的受激辐射过程来实现，结构非常紧凑，输出功率高，但是由于THz波段的QCL是利用电子子能带间的跃迁通过多个量子阱的共振隧穿来实现辐射的，因而受环境热影响非常大，如何在室温下稳定工作是该技术亟待解决的难题。(参见R.
“Terahertz semiconductorheterostructure laser”，Nature 417，(2002)156.)
光泵THz气体激光器已经成为目前比较成熟的THz信号源之一，功率达到数百毫瓦，并且实现了商业化。但其体积比较庞大，价格比较高，适合于实验室使用。另外，气体激光器的谱线是固定的，也不能产生宽谱THz波，只能局限在某些应用场合。(参见ACrocker，H.A.Gebbie，M.F.Kimmitt，I.E.S.Mathias，Nature 201(1964)250.)
利用非线性频率变换过程产生THz辐射也是目前正在研制的THz辐射源之一，需要两***立的连续激光器照射在光电导或非线性晶体上，产生的光电流会以两台激光器的差频频率振荡，当这个差频频率在THz波段时，便可输出THz电磁波，但是由于该过程是非线性过程，转换效率较低，且稳定的输出要求具有非常稳定的泵浦源。目前的研发工作主要集中在提高非线性耦合效率。(参见[9]K.Kawase，M.Sato，T.Taniuchietal.Coherent tunable THz wave generation fromLiNb03 with monolithicgrating coupler[J]，Appl.Phys.Lett.1996，68：2483-2485.)
利用超短激光脉冲产生THz辐射是目前的热点研究领域，大多数宽带THz辐射源都是基于不同材料的超短激光脉冲受激发射原理，其中包括光电导偶极子天线技术、光学整流效应、半导体表面技术、等离子体振荡、非线性传输线等。所有此类THz源都需要昂贵精密的超短脉冲光源设备(Ti-sapphire飞秒激光器或光纤飞秒激光器)，昂贵精密的超短脉冲光源设备是其走向应用的一道门槛，另外，转换效率也有待于提高。(参见[6]J.T.Darrow，X.C.Zhang，D.H.Auston etal.Saturation properties oflarge-aperturephotoconducting antennas[J]，IEEE J.QuantumElectron.，1992，28：1607-1616.)
其他电学方法还包括利用自由电子的THz辐射源和基于高能加速器的THz辐射源，两者都能产生大功率THz波，但是其设备体积过于庞大，操作异常复杂，运转和维护费用非常高昂，所以只能在有能力的国家级实验机构里运转，亦不能实现实际的应用。
在上述方法中，有些技术已经申请了专利：
专利号：200810046108，一种基于声波作为激励的固体THz辐射源器件。
专利号：200980130503，太赫兹辐射源以及用于生成太赫兹辐射的方法。
专利号：200620027434.1，全固态可调谐窄带太赫兹波光源。
专利号：201210493882，一种基于光纤激光器做非线性差频而产生的太赫兹源。
专利号：200710143566，一种太赫兹波辐射源。
专利号：201220005875，一种太赫兹波探测器。
上述专利的技术基础和原理都是基于前面所叙述的几大类太赫兹源，同样存在设备体积较大，价格昂贵，转换效率低下等多种问题，这些问题制约了太赫兹光谱技术的进一步发展。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于半导体超短脉冲激光器的太赫兹源设备，可以很好地解决现有太赫兹源体积较大，价格昂贵，转换效率低下等多种问题，可以极大地推动太赫兹光谱技术的普及和发展。
本发明所采用的技术方案是：用半导体超短脉冲激光器激发光电导天线或非线性晶体(光整流技术)产生太赫兹波。具体为：
一种基于半导体超短脉冲激光器的太赫兹源设备，其包括：
半导体超短脉冲激光器，其用于产生超短脉冲激光束；
半导体光放大器，其用于放大所述超短脉冲激光束；
光电导天线或电光晶体，其用于在收到所述放大后的超短脉冲激光束激发后产生太赫兹波。
现有的用于产生太赫兹的超短脉冲激光器都采用Ti-sapphire飞秒激光器或光纤飞秒激光器，和他们相比，半导体超短脉冲激光器具有以下几个方面的优点：(1)可以做到芯片级大小(毫米量级)，且易于集成，整套太赫兹源***可以做到微型化；(2)半导体超短脉冲激光器可以大规模生长，价格低廉；(3)波长可调(可见光～红外波段)；(4)转换效率高。本发明采用的技术完全克服了目前通用的太赫兹产生技术的缺点，对太赫兹源的微型化以及普及化有极大作用。
附图说明
图1为一种基于半导体超短脉冲激光器的微型太赫兹源示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
请参阅图1所示，本发明提供了一种基于半导体超短脉冲激光器的微型太赫兹源产生设备，包括：
半导体超短脉冲激光器1，其用于出射超短脉冲激光以激发太赫兹波的光源；优选地，其可以选择常用的GaAs基、InP基、GaSb基等半导体超短脉冲激光器。
光学透镜2、3，其按照一定间隔位于所述半导体超短脉冲激光器1的出射光路上，用于半导体超短脉冲激光器出射的激光束的准直和聚焦，其中位于前面的透镜2用于准直，位于后面的透镜3用于聚焦。
半导体光放大器4，其用于放大经光学透镜2、3准直和聚焦后的激光的光脉冲能量。所述半导体光放大器的有源区可选In(Ga)As量子点，InGaAs、InAlAs、Ga(Al)As、InGaAsP、AlGaInP、InGa(Al)AsSb等量子阱。
光学透镜5、6，其分别位于所述半导体光放大器4的出射光路上，用于经所述半导体光放大器放大后的激光束的准直和聚焦。其中，位于前面的透镜5用于准直，位于后面的透镜6用于聚焦。
光电导天线或电光晶体7，其用于受所述激光束的激发而产生太赫兹波；优选地，所述光电导天线7可以为低温GaAs基或低温InGaAs基光电导天线，所述电光晶体可以为ZnTe等。光电导天线产生太赫兹波原理是：利用能量大于半导体材料禁带宽度的超短脉冲，泵浦半导体材料(如低温生长的GaAs等)，使其内部产生电子-空穴对，这些载流子在外加偏置电场作用下做加速运动形成一个瞬态光电流，从而辐射出低频THz脉冲。光整流技术是利用电光晶体作为非线性介质，使皮秒量级的超短激光脉冲通过ZnTe电光晶体等非线性介质进行二阶非线性光学过程或高阶非线性光学过程来产生低频电极化场，由此电极化场辐射出THz波。
其中，所述半导体超短脉冲激光器1的结构如下：
该结构包括有源区和可饱和吸收体两部分，其中，1.1为有源区，具体材料可选In(Ga)As量子点，InGaAs、InAlAs、Ga(Al)As、InGaAsP、AlGaInP、InGa(Al)AsSb等量子阱，1.2为可饱和吸收体，1.3为放大增益区，1.4、1.5端面可镀高反膜。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于半导体超短脉冲激光器的太赫兹源设备，其包括：
半导体超短脉冲激光器，其用于产生超短脉冲激光束；
半导体光放大器，其用于放大所述超短脉冲激光束；
光电导天线或电光晶体，其用于在收到所述放大后的超短脉冲激光束激发后产生太赫兹波。
2.如权利要求1所述的太赫兹源设备，其特征在于，所述半导体超短脉冲激光器的出射光路上设置有激光束准直透镜和聚焦透镜。
3.如权利要求1所述的太赫兹源设备，其特征在于，所述半导体光放大器的出射光路上设置有激光束准直透镜和聚焦透镜。
4.如权利要求1所述的太赫兹源设备，其特征在于，所述半导体超短脉冲激光器包括GaAs基、InP基、GaSb基的半导体超短脉冲激光器。
5.如权利要求1所述的太赫兹源设备，其特征在于，所述半导体超短脉冲激光器包括有源区和可饱和吸收体，所述有源区的材料包括In(Ga)As量子点，InGaAs、InAlAs、Ga(A1)As、InGaAsP、A1GaInP或InGa(Al)AsSb量子阱。
6.权利要求1所述的太赫兹源设备，其特征在于，所述半导体超短脉冲激光器的两端面上镀有高反膜。
7.权利要求1所述的太赫兹源设备，其特征在于，所述半导体光放大器的有源区选用In(Ga)As量子点，InGaAs、InAlAs、Ga(Al)As、InGaAsP、AlGaInP或InGa(Al)AsSb量子阱。
8.如权利要求1所述的太赫兹源设备，其特征在于，所述光电导天线为低温GaAs基或低温InGaAs基光电导天线；所述电光晶体为ZnTe电光晶体。
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