CN107728343B - 基于二维电子浓度调制的太赫兹近场辐射增强装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于二维电子浓度调制的太赫兹近场辐射增强装置，从激光光源输出的飞秒激光经由分束片分为两束。分束片反射光束作为泵浦光，聚焦到光电导天线上产生太赫兹波，太赫兹波再入射到分光栅场效应晶体上，分光栅场效应晶体光栅层上栅极和半导体层外加偏置电压，金属栅极下方半导体层中由电子浓度差形成缺陷腔，通过缺陷腔的太赫兹近场辐射将会增强。分束片透射光聚焦后，作为太赫兹波探测光打到分光栅场效应晶体管另一侧电介质基片上，探测经过近场辐射增强的太赫兹波。本发明只需通过改变偏置电压调节浓度差就能使得太赫兹近场辐射强度增强，装置容易搭建，操作简便，适用于太赫兹成像技术等与太赫兹近场辐射强度相关的前沿科技的发展。
Description
技术领域
本发明涉及一种太赫兹近场辐射增强技术,特别涉及一种基于二维电子浓度调制的太赫兹近场辐射增强装置。
背景技术
近几十年来，太赫兹波以其广泛的应用前景，已成为国际上物理领域的一个重要研究课题。太赫兹波是指频率在0.1-10THz范围(波长在0.03到3mm范围)的电磁波(1THz＝1012Hz)，在电磁波谱中位于微波与红外波之间。太赫兹波特殊的电磁波谱位置使得它具有许多独特的优点：具有携带信息量丰富、高时空相干性、低光子能量等特性，在天文、生物、计算机、通信等科学领域有着巨大的应用价值。目前，主要的应用研究有太赫兹时域光谱技术、太赫兹成像技术、安全检查、太赫兹雷达、天文学、通信技术。
传统远场太赫兹成像***受衍射极限的限制,最小只能分辨λ/2的尺度,即对应1THz的最小分辨率为0.15mm.其毫米量级的成像分辨率在一定程度上制约了太赫兹成像技术的应用。近场探测和显微技术对于获得更高的分辨率显得尤为重要。太赫兹近场成像***打破了衍射极限,提高空间分辨率。现在，太赫兹逐点成像的分辨率已经可以提高到亚波长量级，但由于太赫兹波耦合到金属纳米结构需要整体的天线设计，不具备可调性，使得太赫兹近场辐射强度受到很大的限制，所以如何提高太赫兹近场辐射强度就成为了一个极具挑战的任务。
发明内容
本发明是针对目前太赫兹近场辐射强度的增强存在较大困难的问题，提出了一种基于二维电子浓度调制的太赫兹近场辐射增强装置,采用通过加在中心栅极上的偏置电压调节改变二维电子在半导体材料石墨烯上移动，形成二维电子浓度差产生缺陷腔的办法，激发太赫兹辐射强度增强。从而实现调节太赫兹近场辐射强度增强的功能。
本发明的技术方案为：一种基于二维电子浓度调制的太赫兹近场辐射增强装置，包括激光光源，分束片，第一反射镜，机械延迟线，第二反射镜，第三反射镜，斩波器，第一透镜，光电导天线，偏置电压控制的分光栅场效应晶体管，第四反射镜，第五反射镜，第二透镜；
从激光光源输出的飞秒激光经由分束片分为两束，透射光经第四反射镜和第五反射镜反射后，再经过第二透镜聚焦后，作为太赫兹波探测光打到偏置电压控制的分光栅场效应晶体管上；另一部分分束片反射光束作为泵浦光，经第一反射镜后进入由步进电机和两个反射镜组成的机械延迟线、然后出射光经由第二反射镜和第三反射镜后，再经过斩波器调制频率后，由第一透镜此泵浦光聚焦到光电导天线上产生太赫兹波，太赫兹波辐射到偏置电压控制的分光栅场效应晶体管的上，通过分光栅场效应晶体管中半导体层二维石墨烯材料上电子浓度差所形成缺陷腔的太赫兹近场辐射将会增强，被太赫兹波探测光所探测。
所述偏置电压控制的分光栅场效应晶体管从上到下包括光栅层，半导体层和电介质基片；光电导天线辐射出的太赫兹波入射到分光栅场效应晶体管光栅层的金属栅极上，在光栅层上的栅极和半导体层的二维石墨烯材料之间外加偏置电压，外加偏置电压的栅极处下方二维石墨烯材料形成缺陷腔，经过该缺陷腔处太赫兹近场辐射将会增强，外加偏置电压的大小决定了缺陷腔的深度，从而决定了太赫兹近场辐射增强的能力强弱，另一束探测光打到电介质基片上，探测经过近场辐射增强的太赫兹波。
本发明的有益效果在于：本发明基于二维电子浓度调制的太赫兹近场辐射增强装置,装置简单只需要基本的光学元件就能搭建，容易操作且效果显著。最大优点在于仅需要通过改变偏置电压就可以自由调节二维电子浓度，使得太赫兹近场辐射强度增强。
附图说明
图1为本发明基于二维电子浓度调制的太赫兹近场辐射增强装置结构示意图；
图2为本发明偏置电压控制的分光栅场效应晶体管示意图；
图3为本发明偏置电压控制二维石墨烯材料上电子浓度差产生缺陷腔示意图；
图4为本发明采用外加在中心栅极处的偏置电压控制二维电子浓度差NC/N0＝0.12时的电场分布效果图。
具体实施方式
如图1所示基于二维电子浓度调制的太赫兹近场辐射增强装置结构示意图，装置包括激光光源1，分束片2，第一反射镜3，机械延迟线4，第二反射镜5，第三反射镜6，斩波器7，第一透镜8，光电导天线9，偏置电压控制的分光栅场效应晶体管10，第四反射镜11，第五反射镜12，第二透镜13。如图2所示偏置电压控制的分光栅场效应晶体管示意图，其中偏置电压控制的分光栅场效应晶体管10从上至下包括栅极的光栅层10-1，半导体层10-2和电介质基片10-3，在光栅层10-1的栅极和半导体层10-2之间外加偏置电压10-4。
从激光光源1输出的飞秒激光经由分束片2分为两束，透射光经第四反射镜11，第五反射镜12反射后，经过第二透镜13进行聚焦，作为太赫兹波探测光打到电介质基片10-3上，探测经过近场辐射增强的太赫兹波；另一部分分束片2反射光束作为泵浦光，经第一反射镜3后进入由步进电机和两个反射镜组成的机械延迟线4、然后出射光经由第二反射镜5、第三反射镜6、斩波器7，由第一透镜8将泵浦光聚焦到光电导天线9上产生太赫兹波，光电导天线9辐射出的太赫兹波到达偏置电压控制的分光栅场效应晶体管10的光栅层10-1上，由于光栅层10-1上光栅是金属材料，对作为栅极的光栅层10-1上的任一光栅和半导体层10-2的二维石墨烯材料外加偏置电压10-4，可以控制二维石墨烯材料中定向移动的电子,在外加电场作用下10-4栅极下方处二维石墨烯材料中的电子浓度降低，与周围电子产生一定浓度差，形成缺陷腔，经过该缺陷腔处太赫兹近场辐射将会增强。外加偏置电压10-4的大小决定了缺陷腔的深度，从而决定了太赫兹近场辐射增强的能力强弱。如图3所示偏置电压控制二维石墨烯材料上电子浓度差产生缺陷腔示意图，其中N0为未加偏置电压前的原电子浓度，NC为加偏置电压后的缺陷腔处电子浓度，该浓度差NC/N0形成缺陷腔，通过缺陷腔的太赫兹近场辐射将会增强，被电介质基片10-3上的太赫兹波探测光所探测。
下面的实施例中，在常温条件环境下以中心波长为800的飞秒激光利光电导天线辐射出太赫兹波，利用电光采样原理探测太赫兹波为例，其他波段、其他太赫兹波辐射方法与该实施方法一致，同时二维石墨烯材料可以替换成其他二维半导体材料。
激光光源1输出光中心波长为800nm，光谱范围780-820nm，脉冲宽度为30fs，重复频率1KHz。从激光光源1输出的飞秒激光经由分束片2分为两束，分别作为探测光和泵浦光(分束的泵浦光与探测光比例为9:1)。透射光经第四反射镜11，第五反射镜12反射后，经过第二透镜13进行聚焦，作为太赫兹波探测光打到偏置电压控制的分光栅场效应晶体管10的电介质基片上10-3，探测经过近场辐射增强的太赫兹波；另一部分分束片2反射光束作为泵浦光，经第一反射镜3后进入由步进电机和两个反射镜组成的机械延迟线4、然后出射光经由第二反射镜5、第三反射镜6、斩波器7，斩波器7将连续光调制成为有固定频率的光，同时输出调制频率作为参考信号。经过斩波7器调制的泵浦光由第一透镜8聚焦到光电导天线9上产生太赫兹波，太赫兹波辐射到偏置电压控制的分光栅场效应晶体10的中心栅极上，在中心栅极下方半导体层10-2的二维石墨烯材料中流动的电子受外加电场影响产生电子浓度差NC/N0＝0.12,浓度差形成缺陷腔，当太赫兹波打到中心栅极，缺陷腔产生位置处的太赫兹近场辐射将会增强，产生的腔等离子共振频率ω为0.336THz。如图4所示，即为当加在金属结构中心栅极处的偏置电压10-4调节在二维石墨烯材料10-2上电子浓度差NC/N0为0.12时，通过电场分布效果很明显可以看出由浓度差产生的缺陷腔使得中心栅极处的电场强度最大。本发明只需要通过改变偏置电压就可以自由调节二维电子浓度，从而使太赫兹近场辐射强度增强，装置简单实用，操作便捷，效果显著。
Claims (1)
1.一种基于二维电子浓度调制的太赫兹近场辐射增强装置，其特征在于，包括激光光源(1)，分束片(2)，第一反射镜(3)，机械延迟线(4)，第二反射镜(5)，第三反射镜(6)，斩波器(7)，第一透镜(8)，光电导天线(9)，偏置电压控制的分光栅场效应晶体管(10)，第四反射镜(11)，第五反射镜(12)，第二透镜(13)；
从激光光源(1)输出的飞秒激光经由分束片(2)分为两束，透射光经第四反射镜(11)和第五反射镜(12)反射后，再经过第二透镜(13)聚焦后，作为太赫兹波探测光打到偏置电压控制的分光栅场效应晶体管(10)上；另一部分分束片(2)反射光束作为泵浦光，经第一反射镜(3)后进入由步进电机和两个反射镜组成的机械延迟线(4)、然后出射光经由第二反射镜(5)和第三反射镜(6)后，再经过斩波器(7)调制频率后，由第一透镜(8)将泵浦光聚焦到光电导天线(9)上产生太赫兹波，太赫兹波辐射到偏置电压控制的分光栅场效应晶体管(10)的上，通过分光栅场效应晶体管(10)中半导体层二维石墨烯材料上电子浓度差所形成缺陷腔的太赫兹近场辐射将会增强，被太赫兹波探测光所探测；所述偏置电压控制的分光栅场效应晶体管(10)从上到下包括光栅层(10-1)，半导体层(10-2)和电介质基片(10-3)；光电导天线(9)辐射出的太赫兹波入射到分光栅场效应晶体管(10)光栅层(10-1)的金属栅极上，对作为栅极的光栅层(10-1)上的任一栅极和半导体层(10-2)的二维石墨烯材料之间外加偏置电压(10-4)，可控制二维石墨烯材料中定向移动的电子,在外加电场作用下栅极下方处二维石墨烯材料中的电子浓度降低，与周围电子产生一定浓度差，形成缺陷腔，该缺陷腔处太赫兹近场辐射将会增强，外加偏置电压(10-4)的大小决定了缺陷腔的深度，从而决定了太赫兹近场辐射增强的能力强弱，另一束探测光打到电介质基片上(10-3)，探测经过近场辐射增强的太赫兹波。
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