中圖分類號：TN253文獻標志碼：A

Research on terahertz radiation beam performance based on femtosecond laser-pumped photoconductive antenna

LIN Rufei， GUO Xuguang (School of Optical-Electrical and Computer Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093，China)

Abstract: Terahertz (THz) radiation generated by femtosecond laser-pumped photoconductive antenna (PCA) is the most widely used THz wide-frequency source at present. A hemispherical or super-hemispherical silicon lens isusually integrated with a PCA to improve its radiation directivity， beam quality， and radiation efficiency. However， due to the misalignments of the laser focused spot，and between the PCA and the silicon lens，the THz radiation center is not on the rotation symmetrical axis of the silicon lens，resulting in the deviation of THz radiation direction， the deterioration of THz beam quality， and the reduction of radiation efciency. In this work， a GaAs Schottky detector， mounted on a two-dimensional translation stage was used to obtain the spatial profile of a THz beam radiated from a PCA integrated with a silicon lens. The influence of misalignment between the PCA and the silicon lens on the radiation directivity was clarified. The problem of how to adjust the position of the lens when the radiation of the PCA is offset in the experiment is solved. The effects of misalignment between the PCA and the silicon lens are numerically simulated by using the CST electromagnetic simulation package. The simulation results are consistent with the experiment data.

Keywords: terahertz; photoconductive antenna; silicon lens; Schottky detector; CST simulation; directivity

引言

太赫茲（terahertz，THz）波是指頻率范圍為0.1～10THz ，波長范圍為 30μm～3mm 的電磁輻射[1-2]。太赫茲輻射具有光子能量低、頻譜寬、對非極性介電材料透過性良好以及特征指紋譜豐富等優(yōu)點，在無損檢測、醫(yī)學成像和無線通信等方面都有非常廣泛的應用[3-5]。太赫茲應用的關鍵技術是太赫茲波的產(chǎn)生和檢測，光電導天線（photoconductiveantenna，PCA）具有頻帶寬、可在室溫下工作、體積小和易于集成等特點，是目前太赫茲系統(tǒng)中使用最為廣泛的發(fā)射和檢測器件[6-7]。隨著太赫茲技術的不斷發(fā)展，對光電導天線太赫茲輻射源的輻射效率和波束方向性提出了更高要求。近年來，對光電導天線的電極結(jié)構、發(fā)射材料、泵浦方式，特別是集成超材料/超表面[8-9]以提高泵浦光與光電導材料的相互作用強度，進行了大量的研究來提高天線的性能，包括發(fā)射效率、頻帶寬度和波束質(zhì)量[10-12] 。

為了提高光電導天線的輻射方向性[13]和輻射效率，通常在光電導天線背側(cè)裝配半球或者超半球的高阻硅透鏡[14]，以解決高折射率平面構型電磁輻射逃逸角小和波束發(fā)散角大的問題。對于低溫生長GaAs[15]光電導天線來說，采用折射率相近的高阻硅透鏡能夠最大限度減小電磁輻射在襯底和透鏡界面處的反射。然而，太赫茲光電導天線所使用的硅透鏡因球形曲面與標準半導體平面工藝不兼容，無法直接集成在光電導天線上，因此在裝配過程中存在與光電導天線的對準[問題。同時，在應用中即使二者匹配良好，如果泵浦光斑偏離透鏡旋轉(zhuǎn)對稱軸，還會導致輻射效率降低和波束指向偏離等問題。對該問題進行研究有助于提高光電導天線太赫茲輻射源的性能。本文使用GaAs基肖特基二極管檢波器對天線輻射波束二維截面進行電控機械掃描成像，通過與天線不同距離的輻射截面光斑圖對比，可獲得光電導天線上太赫茲光斑偏離透鏡對稱軸的距離與太赫茲波束偏轉(zhuǎn)角的定量關系。據(jù)此，當二者出現(xiàn)偏移時，可以進行有效的調(diào)整。通過CST電磁仿真，采用與實驗中所使用光導天線相同的結(jié)構，模擬光電導天線上光斑偏移對輻射波束的影響，得到了與實驗相符的結(jié)果，進一步驗證了實驗結(jié)果。

1實驗裝置及結(jié)果

首先對光電導天線的電學特性進行表征。實驗中使用的光電導天線太赫茲發(fā)射源為帶狀線金屬電極結(jié)構[17]（TERAVIL，EMT-8），泵浦飛秒激光脈沖寬度小于100fs，中心波長為 780nm ，平均輸出功率大于 100mW 。與偶極子天線[18]、蝶形天線[相比，帶狀天線由于其結(jié)構特點，在平行于電極方向?qū)τ陲w秒激光光斑激發(fā)位置的限制并不嚴格。在平行于電極方向上，將泵浦光斑在 3000μm 范圍內(nèi)移動時，天線光電流最大值無明顯變化。為確定飛秒激光光斑位置對光電導天線光電流的影響，采用如圖1(a)所示的裝置，測量飛秒激光照射到電極縫隙處不同位置時的光電流。

泵浦飛秒激光經(jīng)過一個分束立方和聚焦透 鏡后照射在天線間隙，聚焦光斑的直徑約為

2.5μm 。天線固定在機械可調(diào)二維平移臺上，通過移動天線可以改變光斑照射在天線上的位置。圖1（a中，左側(cè)的分束立方將天線和光斑圖像反射到右側(cè)光路中，通過聚焦透鏡成像到CCD相機上，方便觀察光斑形態(tài)和位置，右側(cè)的分束立方體將照明光源發(fā)出的照明光反射到器件上，對整個光路以及天線和光斑起到照明作用，使圖像清晰便于觀察。

通過數(shù)字源表(Keithley2400）向光電導天線施加 30V 的偏置電壓，泵浦飛秒激光激勵光電導天線產(chǎn)生光電流。經(jīng)過 5kHz 低通濾波器和前置電流放大器（StanfordSR570）放大后，輸入鎖相放大器（StanfordSR830)進行鎖相放大，采用LabVIEW軟件編程讀取并記錄。使用斬波器對飛秒激光進行調(diào)制，調(diào)制頻率設置為 60Hz ，從斬波器引出 60Hz 的參考信號并輸入鎖相放大器。使用電控二維平移臺(GSC-02)帶動天線移動，使光斑在光電導天線間隙掃過一個 100μm× 100μm 的區(qū)域，移動步長為 1μm 。記錄光斑位置和鎖相放大器輸出的光電流數(shù)據(jù)，得到光斑照射天線間隙不同位置時產(chǎn)生的光電流大小的偽彩色圖，結(jié)果如圖2所示。

圖2(a)為未使用鎖相放大器的情況下，直接用數(shù)字源表(Keithley2400)輸出電流值得到的電流強度分布圖，出現(xiàn)自下而上掃描時電流強度逐漸增大的情況，這是由于低溫生長的砷化鎵中深能級對空穴（電子）的俘獲所導致的結(jié)果，空穴（電子)被俘獲導致電子(空穴）濃度增大，從而產(chǎn)生持續(xù)光電導效應，使電流呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。因此，使用斬波器對激光進行調(diào)制，再用鎖相放大器對瞬態(tài)交流光電流信號進行放大，可以避免上述直流電流信號造成的影響，結(jié)果如圖2(b)所示。通過右側(cè)掃描圖與對應的天線區(qū)域（圖中虛線所勾出的黃色陰影部分為天線的帶狀線金屬電極）按相同比例對應起來可以得出結(jié)論：光斑照射在陽極一側(cè)平行電極的區(qū)域產(chǎn)生的光電流較大，說明光生電子的有效質(zhì)量小，遷移率高，在光電流中占比更高，對太赫茲輻射的貢獻也更高。從圖2(b)可以看出，當泵浦光光斑大小與光電導天線縫隙相近時，如果其在沿著電極方向發(fā)生偏移，其光電流變化不大，產(chǎn)生的太赫茲輻射強度變化也不大，但如果其偏離高阻硅透鏡的旋轉(zhuǎn)對稱軸，則會導致出射太赫茲波束發(fā)生偏移。

在研究太赫茲輻射中心與硅透鏡的對準對太赫茲輻射的影響時，需要對光斑位置進行監(jiān)控，以避免光斑移動對實驗掃描結(jié)果產(chǎn)生影響。用Keithley2400數(shù)字源表向天線施加偏置電壓，調(diào)節(jié)飛秒激光光斑打在光導天線間隙的位置，使輸出的光電流達到最大，通過圖2(b)的光電流掃描強度分布圖可以得出，光斑在垂直電極方向的位置基本固定，監(jiān)控其在平行電極方向的位置，搭建與圖1(a)光電流掃描系統(tǒng)相同的成像光路來觀察光斑位置。

確定光斑位置后，進行天線輻射波束的掃描實驗。本文研究太赫茲輻射中心與透鏡的對準程度對波束輻射效率和方向性影響的光路系統(tǒng)如圖1(b)所示，發(fā)射天線及其左側(cè)光路與太赫茲時域光譜系統(tǒng)[20]的泵浦光路相同，激光器出射中心波長為 780nm ，脈沖寬度小于100fs，平均輸出功率大于 100mW 的飛秒激光，光路中設置衰減片以減小入射到光電導天線上的激光光強，從而保證人射光強小于光電導天線的損傷閾值。經(jīng)過衰減片后，平均泵浦功率約為 18mW 。同時用光學斬波器對泵浦光進行調(diào)制，采用交流耦合方式獲取檢波器的太赫茲輻射響應，以屏蔽直流背景信號。在整個實驗中，發(fā)射天線施加 30V 的偏置電壓，通過成像光路觀察并調(diào)整飛秒激光光斑照射在天線間隙的位置，使光電流達到最大。在發(fā)射天線輻射出口處安裝電控二維平移臺，將GaAs基肖特基二極管檢波器（檢測頻率范圍為 75～110GHz 固定在二維平移臺上，以掃描光導天線輻射的THz波束。

使用Keithley2450數(shù)字源表給檢波器施加5ΔV 偏壓。通過LabVIEW軟件和GSC-02電機自動控制平移臺移動，設置平移臺的移動范圍、步長和步數(shù)，使檢波器掃描以發(fā)射天線為中心的5cm×5cm 區(qū)域。為了保證掃描時間不會過長且掃描精確度足夠高，實驗中設置平移臺在 X， Y軸方向上分別移動50步，步長為 1mm ，并前后移動檢波器，掃描與發(fā)射天線不同距離的輻射波束二維截面圖。不同區(qū)域輻射強度變化會引起檢波器的電流變化，通過LabVIEW軟件編程記錄位移臺每移動一步時Keithley2450數(shù)字源表中檢波器的電流值，并將記錄的數(shù)據(jù)繪制成偽彩色圖，即可觀察發(fā)射天線輻射的光斑強弱分布。通過對比前后不同距離掃描截面的光斑分布情況，可以分析天線的輻射方向性。將光電導天線襯底中心與硅透鏡表面圓心在同一軸上的狀態(tài)定義為天線和透鏡的完全對準狀態(tài)，實驗中保持其相對位置不變，通過二維平移臺移動天線位置，使激光光斑在天線間隙平行電極方向上左右移動，從而改變太赫茲輻射中心與硅透鏡的相對位置。對光電導天線光電流最大時，激光光斑位置以及光斑發(fā)生偏移時進行掃描，結(jié)果如圖3所示。

圖3(a)和(b)為光斑位于使光電導天線光電流最大位置處（即硅透鏡的旋轉(zhuǎn)對稱軸上），肖特基檢波器分別距光電導天線輻射出口 0.2cm 和 1.2cm 處掃描得到的輻射光斑圖。通過對比兩光斑圖的位置和大小，可看出此時光斑基本準直向前輻射，且隨著掃描截面與天線距離的增大，輻射強度略有下降。圖3(c)和(d)為激光光斑相對于硅透鏡旋轉(zhuǎn)對稱軸偏移 300μm 時，距離光電導天線輻射出口 0.2cm 和 1.2cm 掃描所得的輻射波束的光斑。與完全對準狀態(tài)相比，波束光斑位置向激光光斑相反方向偏移(因掃描起點在光導天線右下角，所以輻射圖沿縱軸旋轉(zhuǎn)180^° 即可與天線實際輻射相對應），且隨著與天線的距離增大，強度下降更多一些。圖3(e)和(f)為激光光斑向硅透鏡對稱軸另一側(cè)偏移時，掃描得到的在不同距離處輻射波束截面的光斑圖。此時輻射波束光斑與完全對準狀態(tài)相比，仍然向激光光斑相反的方向偏移，強度下降也較多。分析表明，當激光光斑相對于硅透鏡旋轉(zhuǎn)對稱軸發(fā)生偏移時，太赫茲輻射中心與透鏡的相對位置發(fā)生變化，導致太赫茲波束會向偏移的反方向輻射。上述輻射掃描光斑圖按相同的大小比例與天線相對應，如圖3(a），圖中黑色虛線表示光導天線輻射太赫茲波的圓孔，便于直觀觀察波束輻射的準直與偏移。

2 電磁仿真模擬

通過（computer simulation technology，CST2018)電磁仿真軟件[21]對實驗進行了模擬，在兩電極間設置離散端口的激勵，邊界條件均設為“Open”，仿真頻率設置為 0.09～0.11THz ，在檢波器檢測頻率范圍內(nèi)且仿真時間較短。分別對太赫茲輻射中心相對于硅透鏡對稱軸在對準位置以及在 X 軸方向上正負偏移 300μm 情況下的光導天線輻射進行仿真。監(jiān)視器設置在0.095THz 的模擬結(jié)果如圖4所示。

由圖4(a)和(d)可以看出，當太赫茲輻射中心與透鏡對稱軸完美對準時，太赫茲波束水平向透鏡方向輻射，未發(fā)生偏移，實現(xiàn)了高指向性的輻射模式；圖4(b)和(e)為太赫茲輻射中心在X 軸正方向偏移 300μm 時的輻射方向圖，通過圖4(b)的電場輻射圖可以看出，太赫茲波束向X 軸負方向發(fā)生偏移，圖4(e)遠場輻射圖輻射主瓣方向也相應發(fā)生了偏轉(zhuǎn)；圖4(c)和(f)為太赫茲輻射中心向 X 軸負方向偏移 300μm 的電場輻射圖和遠場輻射圖，模擬的結(jié)果與圖4(b)和(e)完全相反。通過測量得出光電導天線輻射孔的大小為 1.7cm ，根據(jù)圖3(c），當太赫茲輻射中心相對于透鏡對稱軸偏移 300μm 時，按照圖與實際比例可計算出光斑大約偏移了 0.65cm 。進一步測量光電導天線的太赫茲輻射中心到二維截面的距離約為 2.3cm ，因此通過計算光斑偏移量與輻射中心到二維截面距離的反正切值，可得出實驗中太赫茲波束的偏轉(zhuǎn)角度為 15.8^° 。通過圖（e)遠場輻射圖可以直接得到，當太赫茲輻射中心與硅透鏡對稱軸發(fā)生偏移時，仿真模擬的主瓣偏移度數(shù)為 15^° ，實驗和仿真中太赫茲輻射中心和硅透鏡對稱軸偏移距離及偏轉(zhuǎn)角度的對應關系如圖5所示。由此可知，幾種不同對準情況的仿真模擬結(jié)果與實驗結(jié)果高度一致。

3結(jié)論

實驗研究了光電導天線的太赫茲輻射中心與透鏡旋轉(zhuǎn)對稱軸的偏移對太赫茲波束輻射的影響。結(jié)果表明，在低頻段，當太赫茲輻射中心與硅透鏡完美對準時，飛秒激光激勵天線產(chǎn)生最大光電流，發(fā)射天線會最大程度地向所需方向輻射太赫茲波，且隨著傳播距離的增大，波束強度損耗較小；當激光光斑沿平行電極方向左右移動時，相當于太赫茲輻射中心相對于硅透鏡對稱軸發(fā)生偏移，光斑相對于硅透鏡對稱軸向左移動時，產(chǎn)生的太赫茲波束向右偏移；光斑相對于硅透鏡對稱軸向右移動時，產(chǎn)生的太赫茲波束則向左偏移。通過CST電磁仿真模擬了太赫茲輻射中心與硅透鏡對稱軸的偏移對太赫茲輻射的影響，得到的結(jié)果與實驗相符，表明太赫茲輻射中心相對于透鏡發(fā)生偏移會導致太赫茲波束向相反方向偏轉(zhuǎn)。

本文通過研究太赫茲輻射中心和透鏡中心的對準程度對光導天線波束輻射產(chǎn)生的影響，對實際應用中判斷光電導天線襯底和透鏡的對準與否，以及如何調(diào)節(jié)使其達到完美對準提供了指導。解決了光導天線硅透鏡與襯底偏移時，產(chǎn)生的太赫茲輻射波束不能最大程度的在所需要的方向上傳播，導致效率降低的問題。

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(編輯：張磊）