激光器介紹學習教案

1、會計學1激光器介紹激光器介紹(jisho)第一頁，共74頁。太赫茲波探測器的研究背景太赫茲波探測器的研究背景(bijng)及及意義意義寬頻性：寬頻性：0.1THz10THz(30um3mm)0.1THz10THz(30um3mm)。透視性：對非極性物質有很強的穿透能力（對不透明物體進行透視成像）。透視性：對非極性物質有很強的穿透能力（對不透明物體進行透視成像）。安全性：安全性：1THz1THz光子的能量為光子的能量為4.1meV4.1meV，約為，約為X X射線光子能量的射線光子能量的1/1001/100（可用于旅客（可用于旅客 的安全檢查）。的安全檢查）?？捎糜谖镔|的光譜分析：大量極性分子的

2、振動和轉動可用于物質的光譜分析：大量極性分子的振動和轉動(zhun dng)(zhun dng)能級正好處于能級正好處于THzTHz波頻段。波頻段。 目前太赫茲光源的輻射功率普遍都比較低，因此目前太赫茲光源的輻射功率普遍都比較低，因此(ync)(ync)發(fā)展高靈敏度、高信噪比發(fā)展高靈敏度、高信噪比的太赫茲探測技術尤為重要。的太赫茲探測技術尤為重要。4.太赫茲波探測器太赫茲波探測器第1頁/共74頁第二頁，共74頁。Bolometer： 4.2 K 容易受到各種熱源的干擾容易受到各種熱源的干擾 不便于攜帶不便于攜帶Pyroelectric Detector： 低速低速 Golay cell： 靈敏

3、度較差靈敏度較差 探測效率較低探測效率較低Schottky Diode： 0.1 THz 1 THzRoom temperatureHigh responsivityLow NEP and High-speed太赫茲波探測器的研究太赫茲波探測器的研究(ynji)背景及意義背景及意義第2頁/共74頁第三頁，共74頁。4German team （U.R. Pfeiffer, E. jefors, A. Lisauskas, D. Glaab, and H.G. Roskos, et al） Institute for High-Frequency and Communication Technol

4、ogy，University of Wuppertal0.25 mm-Si CMOS, 3x5 FPA (readout circuits integrated) 5.3 mA/W or 150 V/W 650 GHzNEP 0.5 nW/Hz0.5 Self-mixingPanasonic Corp. （ Tohoku University, Japan (2010)）68th Device Research Conference 2010,Nano T-gate (80 nm) GaN/AlGaN-HEMTR 1100 V/W 1000 GHz.Resonant detection關于關于

5、(guny)太赫茲探測器的一些最新研究太赫茲探測器的一些最新研究進展進展Patch antennas &Nano gateDipole antenna &Nano gate第3頁/共74頁第四頁，共74頁。 用用FDTDFDTD模擬設模擬設計適合自混頻探計適合自混頻探測原理的天線結測原理的天線結構和濾波器等。構和濾波器等。模擬設計模擬設計 設計光刻板，設計光刻板，首先從工藝制作首先從工藝制作上證明單步工藝上證明單步工藝的可行性，并進的可行性，并進行整體器件的加行整體器件的加工。工。器件加工器件加工 搭建搭建THzTHz探測探測的電學和光學的電學和光學測試系統(tǒng)（包測試系統(tǒng)（包括括PCBPCB板，

6、偏振板，偏振片，三維手動片，三維手動微動平臺等）微動平臺等）測試分析測試分析結構優(yōu)化結構優(yōu)化 對測試結果對測試結果進行分析，并進行分析，并反饋設計，優(yōu)反饋設計，優(yōu)化器件結構，化器件結構，最終實現(xiàn)高靈最終實現(xiàn)高靈敏度，高響應敏度，高響應度和較低的度和較低的NEPNEP。研究研究(ynji)方方法法第4頁/共74頁第五頁，共74頁。 工作原理圖CMOS or HEMT 0gdsdsiGV（V）ggg=cos=cos+dsdsdsdsdsggVVVVVVVVVV （ ） （）背景(bijng)電流光電流a.選用電子遷移率較高的材料選用電子遷移率較高的材料b.設計高效的太赫茲混頻設計高效的太赫茲混頻(

7、hn pn)天線天線柵控能力天線耦合效率第5頁/共74頁第六頁，共74頁。天線天線收集并增THz電場跟HEMT器件的相互作用，進而提高探測效率。隔離天線跟引線電極，用以保證天線的諧振性能。濾波器濾波器 SDGHEMTAlGaNGaN器件器件(qjin)整整體結構體結構第6頁/共74頁第七頁，共74頁。1.裂片，清洗，光刻，裂片，清洗，光刻，ICP刻蝕刻蝕2.ALD生長生長AL2O33.歐姆窗口腐蝕歐姆窗口腐蝕4.蒸金，剝離和退火蒸金，剝離和退火5.光刻制作電子束對準標記，光刻制作電子束對準標記，蒸金，剝離，電子束曝光，蒸蒸金，剝離，電子束曝光，蒸金，剝離金，剝離6.光刻，蒸金，剝離制作天線光刻

8、，蒸金，剝離制作天線和和pad工藝流程工藝流程(n y li chn)第7頁/共74頁第八頁，共74頁。chopper檢測信號THz信號參考探測器HR-Si BSiTDGSRgVgVdsLock-in Amp.Sig.Amp.Ref.A/V測試(csh)裝置圖測試(csh)電路連接示意圖 I-V 電導(din do) 跨導 ITHz-Vg 響應度 等效噪聲功率 響應頻譜 響應速度 偏振特性場效應基本特性測試場效應基本特性測試太赫茲檢測特性測試太赫茲檢測特性測試BWO: 0.85 THz0.95 THz , P50nWChopper：04 KHzPE detector: 6x103 V/W 31

9、7 Hz測試及優(yōu)化測試及優(yōu)化第8頁/共74頁第九頁，共74頁。10 驗證測試光路和測試系統(tǒng)驗證測試光路和測試系統(tǒng);初步檢測到微弱的光電流初步檢初步檢測到微弱的光電流初步檢 測到微弱的光電流；測到微弱的光電流；響應度約為響應度約為10 V/W;跟自混頻跟自混頻(hn pn)模型吻合；模型吻合；低溫下光電流增加（低溫下電子低溫下光電流增加（低溫下電子 的遷移率增加的遷移率增加)Spad=100 um, Lg=2 um, Lw=8 um, Lds=8um0.00.10.20.30.40.50.6-4-3-2-100123456 G (300 K) G (77 K) G (mS)0.00.40.81.

10、2 dG/dVg (300 K) dG/dVg (77 K)dG/dVg (a.u.) 300 K 77 K fit (300 K) fit (77 K) photocurent (nA)Vg (V)903 GHzx10 Characterization of a room temperature terahertz detector based on a GaN/AlGaN HEMTH, Journal of Semiconductors. 32, 064005 (2011).第9頁/共74頁第十頁，共74頁。Lds=8 um, Lg=2 um, Santenna=20 um x 45 um

11、, Spad= 200 um x 200 um, 雙極子天線器件三極子蝶形共振天線器件RV=180 V/WRV=25 V/W1st step: 雙極子天線雙極子天線(tinxin) to 三極子蝶形共三極子蝶形共振天線振天線(tinxin) Enhancement of Terahertz coupling efficiency by improved antenna design in GaN/AlGaN HEMT detectors, Chinese physics B ,21,10. (2012).-4-3-2-100.00.20.40.60.81.01.21.41.6Photocurr

12、ent (nA)Vg (V)-5-4-3-2-100.00.20.40.60.81.0Photocurrent (nA)Vg (V)Rx7RV=25 V/WRV=180 V/W第10頁/共74頁第十一頁，共74頁。nanogate(700 nm)90 umsourcedrainfiltersOhmiccontactsgatenanogate(700 nm)sourcedrainOhmiccontactsgate90 um三極子蝶形共振天線+納米柵三極子蝶形共振天線+納米柵+濾波器RV=250 V/WRV=1050 V/WLds=5um, Lg=700 nm, Santenna=20 um x

13、45 um, Spad= 200 um x 200 um,電學特性光學特性2nd step: :三極子蝶形共振三極子蝶形共振(gngzhn)天線器天線器件對比件對比 Room temperature GaN/AlGaN self-mixing terahertz detector enhanced by resonant antennas, Applied Physics Letters. 98, 252103 (2011)-4-3-2-100.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8Photocurrent (nA)Vg (V)-4-3-2-100.00.20.40.60.8

14、1.01.21.41.61.8Photocurrent (nA)Vg (V)Rx4RV=250 V/WRV=1050 V/W第11頁/共74頁第十二頁，共74頁。SEM 圖片器件的特征尺寸參數(shù)3nd step: :三極子蝶形共振三極子蝶形共振(gngzhn)天線天線+微米柵器件的優(yōu)化微米柵器件的優(yōu)化 Enhancement of Terahertz coupling efficiency by improved antenna design in GaN/AlGaN HEMT detectors, Chinese physics B ,21,10. (2012).室溫下不同器件的測試優(yōu)化結果第

15、12頁/共74頁第十三頁，共74頁。響應(xingyng)度 以器件以器件#4為例進行測量為例進行測量(cling)室溫下器件的響應度達室溫下器件的響應度達 到了到了9.45x102 V/W。 低溫下器件的響應度超低溫下器件的響應度超 過了過了8 KV/W。PE探測器真實(zhnsh)能量：為PE響應度為PE響應電壓HEMT探測器真實能量：#4：Spad=200 um, Lg=2 um, Lw=5um, Lds=4 um第13頁/共74頁第十四頁，共74頁。等效(dn xio)噪聲功率 以器件以器件(qjin)#4為例進行測量為例進行測量室溫下器件室溫下器件(qjin)的的NEP達達58 pW

16、/Hz0.5。 低溫下器件低溫下器件(qjin)的的NEP達到達到4p W/Hz0.5。第14頁/共74頁第十五頁，共74頁。偏振(pin zhn)特性 天線天線(tinxin)具有良好的偏振特性。具有良好的偏振特性。THz電場平行于天線電場平行于天線(tinxin)的長邊時：的長邊時： 器件的響應最大。器件的響應最大。 THz電場垂直于天線電場垂直于天線(tinxin)的長邊時：的長邊時： 器件的響應最小。器件的響應最小。偏振偏振(pin zhn)特特性：性： Room temperature GaN/AlGaN self-mixing terahertz detector enhanced

17、 by resonant antennas, Applied Physics Letters. 98, 252103 (2011)第15頁/共74頁第十六頁，共74頁。 以器件以器件#4為例進行測量為例進行測量室溫下鐵電探測器的響應速度低室溫下鐵電探測器的響應速度低 于于500 Hz室溫下測輻射熱計在室溫下測輻射熱計在4 KHz的調的調 制頻率下，衰減制頻率下，衰減(shui jin)了將近了將近10倍。倍。室溫下室溫下HEMT探測器的響應速度探測器的響應速度 遠高于遠高于4 KHzBolometerPE detectorHEMT detector 500Hz接近接近(jijn)4KHz遠高于

18、遠高于4KHz第16頁/共74頁第十七頁，共74頁。光譜(gungp)響應4006008001000120014000123i (normalized)f (GHz) 300 K 77 Kx100antenna responseHigh-responsivity, low-noise, room-temperature, self-mixing terahertz detector realized using floating antennas on a GaN-based field-effect transistor, Applied Physics Letters. 100, 0135

19、06 (2012) 80085090095010000123interferencei (normalized)f (GHz) 300 K 77 Kx100antenna response840860880900920940123 Photocurrent （nA）Frequency （THz）PE探測器HEMT 探測器第17頁/共74頁第十八頁，共74頁。整體面積(min j)為：2mm*4mm每個單元的面積(min j)約為：0.6mm2測試(csh)結果加工(ji gng)結果 探測器的應用研究探測器的應用研究_線陣列探測器線陣列探測器0.000.040.080.120.000.050.

20、100.150.20-4-3-2-1012340.00.51.01.5 G (mS) dG/dVg (mS/V) i (nA)Vg (V) shifted +0.5V for clarity(a)(b)(c)光電流偏差光電流偏差N2，即受激吸收大于受激輻射。當光通過這種物質時，光強按指數(shù)衰減， 這種物質稱為吸收物質。 如果(rgu)N2N1，即受激輻射大于受激吸收，當光通過這種物質時，會產生放大作用，這種物質稱為激活物質。 N2N1的分布，和正常狀態(tài)(N1N2)的分布相反，所以稱為粒子(電子)數(shù)反轉分布。 問題：如何得到粒子數(shù)反轉分布的狀態(tài)呢? 小結(xioji)第58頁/共74頁第五十九頁，

21、共74頁。 導帶 價帶 導帶 價帶正常(zhngchng)分布反轉(fn zhun)分布產生(chnshng)激光的必要條件二：粒子數(shù)反轉分布第59頁/共74頁第六十頁，共74頁。第60頁/共74頁第六十一頁，共74頁。工作(gngzu)物質產生激光(jgung)的必要條件三：有光學諧振腔第61頁/共74頁第六十二頁，共74頁。光增益(zngy)ECEV第62頁/共74頁第六十三頁，共74頁。產生穩(wěn)定振蕩的條件(tiojin)（相位條件(tiojin)）q縱模模數(shù)，n 激光(jgung)媒質的折射率第63頁/共74頁第六十四頁，共74頁。1什么(shn me)是太赫茲波？2太赫茲波的特點(td

22、in)有哪些？3自混頻(hn pn)探測的機理是什么？ 4在紅寶石Q調制激光器中，有可能將全部Cr3(鉻離子)激發(fā)到激光上能級并產生巨脈沖。設紅寶石直徑0.8cm，長8cm，鉻離子濃度為21018cm3，巨脈沖寬度為10ns。求：(1)輸出0.6943mm激光的最大能量和脈沖平均功率；(2)如上能級的壽命102s，問自發(fā)輻射功率為多少瓦？第64頁/共74頁第六十五頁，共74頁。5(1)普通光源發(fā)射0.6000mm波長時，如受激輻射與自發(fā)輻射光功率體密度之比 ，求此時單色能量密度 為若干？(2)在HeNe激光器中若 ，=0.6328mm，設1，求 為若干？20001自激qqv34msJ100 .

23、 5v自激qq第65頁/共74頁第六十六頁，共74頁。第66頁/共74頁第六十七頁，共74頁。解:(1) (2)例1(1)普通光源發(fā)射0.6000mm波長時，如受激輻射與自發(fā)輻射光功率體密度之比 ，求此時單色能量密度 為若干？(2)在HeNe激光器中若 ，=0.6328mm，設1，求 為若干？20001自激qqv34msJ100 . 5v自激qq第67頁/共74頁第六十八頁，共74頁。例2在紅寶石Q調制激光器中，有可能將全部Cr3(鉻離子)激發(fā)到激光上能級并產生巨脈沖。設紅寶石直徑0.8cm，長8cm，鉻離子濃度(nngd)為21018cm3，巨脈沖寬度為10ns。求：(1)輸出0.6943m

24、激光的最大能量和脈沖平均功率；(2)如上能級的壽命102s，問自發(fā)輻射功率為多少瓦？解：（1）最大能量(nngling)脈沖(michng)平均功率P (2)第68頁/共74頁第六十九頁，共74頁。第一章 光電導探測器1.本征半導體？雜質半導體？（課件）2. 歐姆定律的微分形式？電導率跟遷移率的關系？3. 金屬、半導體、絕緣體的能帶示意圖？4. 電導率的表達式？5. 光電導效應？產生光電導效應的條件是什么？ 提高光電導效應的方法(fngf)是什么？6. 暗電流、亮電流、光電流、暗電導、亮電導、暗電阻和亮電阻之間的關 系？7. 光電流的表達式？光電導增益？光電導靈敏度？量子效率？光電導惰性？ 前歷效應？8. 光敏電阻的敏感機理？期末考試復習(fx)要點第69頁/共74頁第七十頁，共74頁。第二章 結型光電器件(qjin)(重點)1.金屬半導體接觸？肖特基基礎？歐姆接觸？2. 光電效應？外光電效應？內光電效應？光電導效應？光生伏特效應？3.解釋不