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飞秒激光触发光电导天线发生太赫兹波技能

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研讨了光电导天线发生太赫兹波辐射特性,使用麦克斯韦方程及其鸿沟条件,核算了近远场的电场强度;选用电磁波时域有限差分办法(FDTD),在Matlab系统软件中,用C言语编写程序核算光电导偶极天线的辐射太赫兹波的空间电磁场散布,并在核算机上以伪五颜六色图形显现,这种电磁场的可视化成果为天线的规划和改善供给了直观的物理根据。

  太赫兹波是指波长规模为3μm~3mm(011~10THz)之间的电磁辐射,其波段坐落微波和红外光之间。跟着超快激光技能和低标准半导体技能的开展,使THz电磁波的发生技能,THz辐射机理的研讨,THz检测技能和使用技能得到敏捷的开展。现在,发生脉冲THz辐射的办法首要有两种:光电导天线发生THz电磁波和光整流发生THz。前者是使用飞秒激光脉冲触发直流偏置下的光电导体,经过相干电流驱动偶极天线发生太赫兹辐射;光整流是一种非线性效应,是用飞秒激光脉冲和非线性介质(LiNbO3,LiTaO3,ZnTe等)相互效果发生低频极化场也能够辐射出THz电磁波。近年来,国内外有不少关于光电导天线发生THz电磁波的文献报导。Darrow等对光电导天线发生太赫兹波的理论进行了详细的解说,而且对砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)作为光电导天线的基质资料发生太赫兹辐射进行了比照。Hattori等研讨了大孔径光电导天线发生太赫兹波的时刻特性,考虑了半导体载流子寿数和弛豫时刻对太赫兹辐射的影响。大孔径光电导天线在强激光脉冲的照射下会发生饱满现象,Darrow等等别离进行了理论模仿,得出了半导体外表的辐射电场对偏置电场的屏蔽效应是发生饱满现象的首要原因。施卫等对半绝缘砷化镓(GaAs)天线发生太赫兹波的辐射特性进行了相关研讨。

  在国内外研讨的基础上,对光电导天线发生太赫兹波的微观机制进行理论剖析和核算,用麦克斯韦方程及其鸿沟条件核算了光电导体的外表电流和近远场的辐射电场,经过核算能够看出近场条件下太赫兹波的辐射强度正比于外表电流,远场条件下太赫兹波的辐射强度正比于触发光脉冲的宽度、功率和偏置电场的强度。关于理论剖析的成果,选用时域有限差分办法(FDTD)核算了光电导天线的辐射特性
1光电导偶极天线结构和理论剖析

  1.1光电导偶极天线结构

  半绝缘GaAs资料具有优秀的光电功能,是制造光电·资料肖健,等:飞秒激光触发光电导天线发生太赫兹波的研讨光电导天线很抱负的基底资料GaAs资料的电阻率能够到达10^7~10^8,击穿强度为250kV/cm;文中以半绝缘GaAs资料制成光电导偶极天线的芯片资料为例,介绍了光电导天线的结构和尺度参数,给出直观的示意图。半绝缘GaAs资料暗态电阻率ρ=5×107Ωcm,载流子的浓度为n≈1014cm-3,载流子的迁移率为μ>5500cm2/(Vs),芯片的厚度为016mm,外形尺度为610mm×910mm;用电子束蒸渡工艺淀积厚度为900nm的Au/Ge/Ni合金电极(条形天线),经过退火处理与GaAs芯片资料构成欧姆触摸,电极尺度为6mm×3mm,圆角半径为111mm,两电极空隙为3mm;绝缘保护层选用Si3N4薄膜资料,其结构如图1所示。

  1.2理论剖析

  使用GaAs光电导天线发生太赫兹波的理论剖析选用“电流源瞬冲模型”。该模型剖析以为,光电导体辐射的THz波是光电导体外表的瞬变电流激起发生。根据Maxwell方程,外表电流Js(t)表明为

  Js(t)=σs(t)(Eb+Es(t)) (1)

  其间,σt为时域外表电导;Eb为偏置电场,Es(t)为光电导体外表辐射电场。由Maxwell方程的鸿沟条件能够得到Js(t)与Es(t)之间的关系式

  这儿η0表明空气的阻抗,其巨细为377;ε为光电导体相对介电常数。从而能够得到外表辐射场与偏置电场之间的关系式

  在远场的状况下,假设是沿着光电导体的轴线勘探THz波辐射场,此刻的THz辐射场能够表明为

  

  其间,A是光电导体电极空隙的光照面积;z表明辐射中心到调查点之间的间隔。

  根据以上的理论剖析能够知,在近场条件下THz波的辐射强度正比于外表瞬态电流;在远场条件下THz电磁波强度决议于触发光脉冲的强度。别的,光电导体的偶极芯片是发生THz的电极,一起又具有发射天线的效果,能够经过规划不同金属天线的形状和结构,进步天线的辐射功率。

  2电磁波时域有限差分办法(FDTD)

  2.1FDTD方程

  时域有限差分法首要思维是把Maxwell方程在空间和时刻上离散化,用中心差商的方式替代接连微商,用差分方程替代一阶微分方程,在时刻轴上逐步推进求解,以电场为例给出方程

  其间,ε0表明真空中的介电常数;μ0表明真空中的磁导率。

  关于磁场有相似的方式,仅仅系数部分会有所不同,将电场公式中的电导率换成磁导率、介电常数换成磁导系数就能够得到磁场的FDTD方程。
2.2吸收鸿沟条件

  常用的吸收鸿沟条件包含Mur吸收鸿沟条件和彻底匹配层(PML)吸收鸿沟条件,Mur吸收鸿沟条件适用于核算机功能较差和核算精度不高的状况下,PML吸收鸿沟条件对核算机的要求比较高,核算精度较高。文中选用PML吸收鸿沟条件。

  PML吸收鸿沟条件是由特别的各向异性资料组成,彻底匹配层为有耗介质,进入PML层的透射波将敏捷衰减,它关于入射波有较好的吸收效果。在FDTD鸿沟外部结构一层虚拟的损耗媒质,使得在各个方向上的入射波在鸿沟上的反射很小,甚至为零。1994年Beernger以此思维结构了一种非物理的吸收媒质,与FDTD网格外部鸿沟相连,其波阻抗具有与外向散射波的入射角和频率均无关。以二维TE状况为例,在PML介质中,Beernger为了引进规则损耗的新自由度,将Hz分裂为两个重量Hzx和Hzy,且Hz=Hzx+Hzy。从而将Maxwell方程改写为

  σ和σ*别离表明自由空间中的电导率和导磁率。其时σx=σy=σ3x=σ3y,式(6)就退化为自由空间中的Maxwell方程,所以能够以为上式描绘了一种遍及的状况,自由空间是其间一个特例。
2.3用Matlab程序核算光电导天线辐射特性

  (1)编程中参数的选取。为了确保解的稳定性和收敛性,离散网格边长取Δx=Δy=Δz=δ=λ/12;时刻步长取Δt=δ/2c,其间,c为自由空间的光速,以011THz的电磁波为例,x方向取115cm,y,z的取值与x相同;

  (2)设置鼓励源。在核算中选用微分方式的高斯脉冲鼓励源进行模仿核算Ei(t)=[(t-t0)/τ]exp-[4π(t-t0)2]/τ2,其间,τ为常数,决议了高斯脉冲的宽度;

  (3)编写Matlab程序进行核算。用C言语编写核算程序,在Matlab710软件中核算,硬件装备为酷睿单核116GHz,内存1GB,运转时刻约为2分20秒,核算成果如图2所示。

  用Matlab核算的光电导天线天线的辐射特性图,如图2所示,从图形能够看出天线复变辐射的电磁场散布,能够加深对天线的作业原理的了解,为进一步改善天线的结构供给了物理根据,终究完成进步光电导天线辐射太赫兹波的功率和功率。

  3结束语

  经过对光电导天线的理论剖析与核算,使用FDTD办法对天线的辐射特性进行了剖析,经过建模仿真编写Matlab程序进行详细核算,能够直观看到天线的辐射图形。从以上的成果剖析能够看出,FDTD办法在电磁场数值核算中是一种比较有用可行的办法。使用Matlab进行仿真运算,能够愈加精确形象的了解场的迭代和在鸿沟区域的吸收状况。在使用FDTD办法时需求留意:在编程的过程中,网格的区分具有重要的效果,一定要慎重处理;别的一个重要的要素是对鼓励源的模仿,挑选适宜的的鼓励源方式以及用恰当的办法将鼓励源加入到FDTD迭代核算中。

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