太赫兹时域频谱仪用宽带光导天线的研究 - 易迪拓培训.PDFVIP

太赫兹时域频谱仪用宽带光导天线的研究 王自成①谢文球o②刘青伦①唐伯俊①李现蠢① ①中国科学院电子学研究所。北京100190 ②中国科学院大学，北京100039 摘要：采用大型电磁计算软件CST对一种现有的偶极子型光电导天线的方向性进行仿真计算。结果表 明，这种偶极子型光电导天线或最大辐射方向随着频率的变化显著发生变化方向性比较差，造成其在 应用于太赫兹时域频谱仪时效率低下，且对环境存在电磁污染的问题。本文的研究方法可以用于研究 新的光导电天线。 关键词：太赫兹，时域频谱仪，宽带光导天线 1 引言 赫兹波的产生和探测技术的研究的日渐深入，太赫兹波在物质特性分析【l_3】、成像【4】、探测[描]、遥感[7】 和国防[8-9]上面的作用日益突显出来，由此引起了一场世界范围内的针对太赫兹波的研究热潮。其中， timedomain 太赫兹时域频谱仪(Terahertz 赫兹应用设备，在美欧已经有上市产品，但目前国内还少有系统层面及关键技术层面的研究报道。 在太赫兹时域频谱仪的应用研究方面，美国的ThomasW．Crowe等给出了利用太赫兹时域频谱仪 测量肉牛胸腺DND的太赫兹频谱，显示出这种仪器在食品质量与安全检测方面的应用潜力【lo】；台湾 露硅基片和覆盖石墨纳米薄膜的硅基片的太赫兹透射谱，台湾地区K．I．Lin等检测了INP等材料的自 发极化场所产生的太赫兹辐射…J，这些都显示出该设备在材料检测与研究方面的巨大应用前景；国内 的刘囡和徐开俊等报道了将太赫兹时域光谱技术用于氨基酸类、糖类、嘌呤嘧啶类、蛋白质和肽类等 物质的分析鉴别的应用情况u引，岳伟伟和王卫宁等也报导了用于分析芳香族氨基酸的太赫兹时域光谱 仪的研究【l3|，这些报导展现了太赫兹时域光谱技术的诱人应用前景。 尽管太赫兹时域频谱仪具有广阔的应用空间，但国外上市产品十分昂贵，国内又尚无上市产品， 这限制了许多本应开展的应用。因此，开展太赫兹时域频谱仪相关理论与技术研究成为国内最终实现 太赫兹时域频谱仪的当务之急。本文就太赫兹时域频谱仪用宽带光导天线进行计算模拟，初步设计了 一种具有1THz带宽的宽带光导天线结构。 2 太赫兹时域频谱仪原理及宽带光导天线的作用 太赫兹时域频谱仪采用飞秒电磁脉冲照射待研究的材料或样品，通过检测从样品上反射回来的电 磁脉冲的反射谱或检测透过样品的透射谱来研究材料或样品的性质。目前产生这种飞秒电磁脉冲的方 法有许多，比如采用非线性光学晶体以把飞秒激光脉冲下变频到太赫兹频段的方法以及由激光脉冲驱 动的光导天线产生太赫兹辐射的方法。前者需要两台激光器，成本十分昂贵。后者只需要一台飞秒激 光器，成本成倍下降。因此，在太赫兹时域频谱仪中采用宽带光导天线具有一定优势。 在太赫兹时域频谱仪中，光导天线既作为辐射太赫兹波的发射器，还担负着接收来自样品的太赫 兹反射波或透射波的接收器功能。如果对天线的方向性没有足够的了解，因而没有将天线最大波瓣方 向对准样品，那么照射到样品上的太赫兹能量只有很少一部分，而其他能量都流向其他方向，不仅浪 费了能量，还造成电磁污染。而太赫兹时域频谱仪是需要与人频繁接触的高科技仪器，对可能造成人 体伤害的电磁污染是不能容忍的。此外，在这种情况下，天线同样不可能有效接收太赫兹波。尤其对 于太赫兹时域频谱仪用光导天线，要求其带宽越宽越好(从1THz~5THz的宽度)，而任何天线都可 能存在最大辐射方向随着频率而改变的情况。因此，同使用天线的任何场合一样，计算天线的方向性 是光导天线设计的首要任务。 但是，目前报导过的光导天线一般都是简单地在半导体基片上制作微带双线，基本上还属于原理 模型性质，很少对天线的方向性和宽带性能进行计算。这种光导天线无疑具有很宽的带宽，但是在实 际应用中，这种天线必须安装在适当的支架等安装结构之上。而作为天线，这种安装结构必然影响其 天线性能。此外，上述研究者没有计算这种天线的方向性，因而未对如何有效使用这种天线提供必要 技术信息。 为了充分了解光导电天线的方向性，本文尝试采用大型电磁计算软件CST对其进行仿真计算，下 面给出相应的结果。 883 3 偶极子型光电导天线的模拟 文献[14】制作并测试了一种偶极子型光电导天线。该天线的结构如图1所示，由制造在沉积硅的 和501am三种。对于501am的偶极子，微带馈线的之间的间