激光器介紹PPT課件

1、太赫茲波探測器的研究背景及意義太赫茲波探測器的研究背景及意義寬頻性：寬頻性：0.1THz0.1THz10THz(30um10THz(30um3mm)3mm)。透視性透視性：對非極性物質(zhì)有很強的穿透能力（對不透明物體進行透視成像）。對非極性物質(zhì)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）。可用于物質(zhì)的光譜分析：大量極性分子的振動和轉(zhuǎn)動能級正好處于可用于物質(zhì)的光譜分析：大量極性分子的振動和轉(zhuǎn)動能級正好

2、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，因此發(fā)展高靈敏度、高信噪比目前太赫茲光源的輻射功率普遍都比較低，因此發(fā)展高靈敏度、高信噪比的太赫茲探測技術(shù)尤為重要。的太赫茲探測技術(shù)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 respon

3、sivityLow NEP and High-speed太赫茲波探測器的研究背景及意義太赫茲波探測器的研究背景及意義第2頁/共74頁3German team （U.R. Pfeiffer, E. jefors, A. Lisauskas, D. Glaab, and H.G. Roskos, et al） Institute for High-Frequency and Communication Technology，University of Wuppertal0.25 mm-Si CMOS, 3x5 FPA (readout circuits integrated) 5.3 mA/W o

4、r 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(guān)于太赫茲探測器的一些最新研究進展Patch antennas &Nano gateDipole antenna &Nano gate第3頁/共74頁 用FDTDFDTD模擬設(shè)

5、計適合自混頻探測原理的天線結(jié)構(gòu)和濾波器等。模擬設(shè)計模擬設(shè)計 設(shè)計光刻板，首先從工藝制作上證明單步工藝的可行性，并進行整體器件的加工。器件加工器件加工 搭建THzTHz探測的電學(xué)和光學(xué)測試系統(tǒng)（包括PCBPCB板，偏振片，三維手動微動平臺等）測試分析測試分析結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化 對測試結(jié)果進對測試結(jié)果進行分析，并反饋行分析，并反饋設(shè)計，優(yōu)化器件設(shè)計，優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)，最終實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，最終實現(xiàn)高靈敏度，高響高靈敏度，高響應(yīng)度和較低的應(yīng)度和較低的NEPNEP。研究方法第4頁/共74頁自混頻探測的模型及原理 工作原理圖CMOS or HEMT 0gdsdsiGV（V）ggg=cos=cos+dsdsdsdsds

6、ggVVVVVVVVVV （ ） （）背景電流光電流0gds0gg1+cos2dsdsiGGV（V）V（V） V（ ）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(shè)計高效的太赫茲混頻天線設(shè)計高效的太赫茲混頻天線柵控能力天線耦合效率第5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器件整體結(jié)構(gòu)第6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

7、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，蒸金，剝離制作天線和和pad工藝流程第7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測試裝置圖測試電路連接示意圖 I-V 電導(dǎo) 跨導(dǎo) ITHz-Vg 響應(yīng)度 等效噪聲功率 響應(yīng)頻譜 響應(yīng)速度 偏振特性場效應(yīng)基本特性測試場效應(yīng)基本特性測試太赫茲檢測特性測試BWO: 0.85 THz0.95 THz , P50nWChopper：04 KHzPE de

8、tector: 6x103 V/W 317 Hz測試及優(yōu)化第8頁/共74頁測試及優(yōu)化_無特意設(shè)計天線結(jié)構(gòu)9 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(yīng)度約為響應(yīng)度約為10 V/W;跟自混頻模型吻合；跟自混頻模型吻合；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 (m

9、S)0.00.40.81.2 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Lds=8 um, Lg=2 um, Santenna=20 um x 4

10、5 um, 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 to 三極子蝶形共振天線 Enhancement of Terahertz coupling efficiency by improved antenna design in GaN/AlGaN HEMT detectors, Chinese physics B ,21,10. (2012).-4-3-2-100.00.20.40.60.81.01.21.41.6Photocurrent (nA)Vg (V)-5-4-3-2-100

11、.00.20.40.60.81.0Photocurrent (nA)Vg (V)Rx7RV=25 V/WRV=180 V/W第10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 45 um, Spad= 200 um x 200 um,電學(xué)特性光學(xué)特

12、性2nd step: :三極子蝶形共振天線器件對比 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)-4-3-2-100.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8Photocurrent (nA)Vg (V)Rx4RV=250 V/WRV=105

13、0 V/W第11頁/共74頁SEM 圖片器件的特征尺寸參數(shù)3nd step: :三極子蝶形共振天線+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(jié)果第12頁/共74頁響應(yīng)度0. 00. 51. 01. 52. 0- 4- 3- 2- 102468Rv (V/W)77 K 300 K 77 KVg (V) 300 K 77 K77 K

14、 Ri (A/W)300 K x 30f =937 GHzP0=220 nW 以器件以器件#4為例進行測量為例進行測量室溫下器件的響應(yīng)度達室溫下器件的響應(yīng)度達 到了到了9.45x102 V/W。 低溫下器件的響應(yīng)度超低溫下器件的響應(yīng)度超 過了過了8 KV/W。PEHEMT57.4WWPE探測器真實能量：PEPEPEWVRPEV為PE響應(yīng)度PER為PE響應(yīng)電壓HEMTV(HEMT)(HEMT)R=P/WHEMT探測器真實能量：#4：Spad=200 um, Lg=2 um, Lw=5um, Lds=4 um第13頁/共74頁等效噪聲功率idsiVN = 4NEP = N / RTGB0.00.4

15、0.81.2-4-3-2-100123 G (mS)77 K300 K Ni (pA/Hz1/2)Vg (V)77 K300 K-4-3-2-110-1310-1110-910-7 NEP (W/Hz1/2)Vg (V) experimental 300 K experimental 77 K thermal 300 K thermal 77 K 以器件以器件#4為例進行測量為例進行測量室溫下器件的室溫下器件的NEP達達58 pW/Hz0.5。 低溫下器件的低溫下器件的NEP達到達到4p W/Hz0.5。第14頁/共74頁偏振特性 天線具有天線具有良好良好的偏振特性。的偏振特性。THz電場平行

16、于天線的長邊時：電場平行于天線的長邊時： 器件的響應(yīng)最大。器件的響應(yīng)最大。 THz電場垂直于天線的長邊時：電場垂直于天線的長邊時： 器件的響應(yīng)最小。器件的響應(yīng)最小。偏振特性：偏振特性： Room temperature GaN/AlGaN self-mixing terahertz detector enhanced by resonant antennas, Applied Physics Letters. 98, 252103 (2011)第15頁/共74頁響應(yīng)速度 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(yīng)速度低室溫下鐵電探測器的響應(yīng)速度低 于于500 Hz室溫下測輻

17、射熱計在室溫下測輻射熱計在4 KHz的調(diào)的調(diào) 制頻率下，衰減了將近制頻率下，衰減了將近10倍。倍。室溫下室溫下HEMT探測器的響應(yīng)速度探測器的響應(yīng)速度 遠高于遠高于4 KHzBolometerPE detectorHEMT detector 500Hz接近接近4KHz遠高于遠高于4KHz第16頁/共74頁光譜響應(yīng)4006008001000120014000123i (normalized)f (GHz) 300 K 77 Kx100antenna responseHigh-responsivity, low-noise, room-temperature, self-mixing terahe

18、rtz detector realized using floating antennas on a GaN-based field-effect transistor, Applied Physics Letters. 100, 013506 (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頁整體面積為：2mm*

19、4mm每個單元的面積約為：0.6mm2測試結(jié)果加工結(jié)果 探測器的應(yīng)用研究_線陣列探測器0.000.040.080.120.000.050.100.150.20-4-3-2-1012340.00.51.01.5 G (mS) dG/dVg (mS/V) i (nA)Vg (V) shifted +0.5V for clarity(a)(b)(c)光電流偏差N2，即受激吸收大于受激輻射。當光通過這種物質(zhì)時，光強按指數(shù)衰減， 這種物質(zhì)稱為吸收物質(zhì)。 如果N2N1，即受激輻射大于受激吸收，當光通過這種物質(zhì)時，會產(chǎn)生放大作用，這種物質(zhì)稱為激活物質(zhì)。 N2N1的分布，和正常狀態(tài)(N1N2)的分布相反，所以

20、稱為粒子(電子)數(shù)反轉(zhuǎn)分布。 問題：如何得到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的狀態(tài)呢? 小結(jié)第58頁/共74頁 導(dǎo)帶 價帶 導(dǎo)帶 價帶正常分布反轉(zhuǎn)分布產(chǎn)生激光的必要條件二：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布第59頁/共74頁產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的方法產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的方法 注入載流子對注入載流子對PN結(jié)施加正向偏壓結(jié)施加正向偏壓 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 強光對激光物質(zhì)進行照射固體激光器強光對激光物質(zhì)進行照射固體激光器 氣體電離氣體激光器氣體電離氣體激光器第60頁/共74頁激光振蕩和光學(xué)諧振腔激光振蕩和光學(xué)諧振腔工作物質(zhì)產(chǎn)生激光的必要條件三：有光學(xué)諧振腔第61頁/共74頁光增益ECEV第62頁/共74頁2nqL產(chǎn)生穩(wěn)定振蕩的條件（相位條件

21、）q縱模模數(shù)，n 激光媒質(zhì)的折射率第63頁/共74頁1什么是太赫茲波？2太赫茲波的特點有哪些？3自混頻探測的機理是什么？ 4在紅寶石Q調(diào)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(chǎn)生巨脈沖。設(shè)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(shè)1，求 為若

22、干？20001自激qqv34msJ100 . 5v自激qq第65頁/共74頁第66頁/共74頁hhcqq88333自激34361063. 68)106 . 0(20001317/10857. 3msJ 解:(1) 943436333106 . 71051063. 68)106328. 0( 88hhcqq自激 (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(shè)1，求 為若干？20001自激qqv34msJ100 . 5v自激qq第67頁/共74頁例2在紅寶石Q調(diào)制激光器中，

23、有可能將全部Cr3(鉻離子)激發(fā)到激光上能級并產(chǎn)生巨脈沖。設(shè)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？解：（1）最大能量JchdrhNW3 .2106943.01031063.61010208.0004.0683461822脈沖平均功率P瓦8961030. 21010103 . 2tW 瓦自自自145113 . 2112002021ehNPendtenNtA(2)第68頁/共74頁第一章 光電導(dǎo)探測器1.本征半導(dǎo)體？雜質(zhì)半導(dǎo)體？（課件）2. 歐姆定律的微分形式？電導(dǎo)率跟遷移率的關(guān)系？3. 金屬、半導(dǎo)體、絕緣體的能帶示意圖？4. 電導(dǎo)率的表達式？5. 光電導(dǎo)效應(yīng)？產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)的條件是什么？ 提高光電導(dǎo)效應(yīng)的方法是什么？6. 暗電流、亮電流、光電流、暗電導(dǎo)、亮電導(dǎo)、暗電阻和亮電阻之間的關(guān) 系？7. 光電流的表達式？光電導(dǎo)增益？光電導(dǎo)靈敏度？量子效率？光電導(dǎo)惰性？ 前歷效應(yīng)？8. 光敏電阻的敏感機理？期末考試復(fù)習(xí)要點第69頁/共74頁第二章 結(jié)型光電器件(重點)1.金屬半