發(fā)布時(shí)間：2020-11-18 08:14

　　 太赫茲波是波長范圍介于微波和紅外之間的電磁波,因具有低光子能量、強(qiáng)穿透性、包含大量分子指紋譜等特性,成為近年來研究的熱點(diǎn)。對(duì)太赫茲波的深入研究推動(dòng)了太赫茲科學(xué)技術(shù)在遠(yuǎn)程無線通信、高分辨率成像、材料分析以及國防安全等領(lǐng)域的進(jìn)步,目前太赫茲波已經(jīng)被成功應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、材料分析、生物醫(yī)學(xué)、遠(yuǎn)程通信等領(lǐng)域。太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器(THz QCLs)是新型的太赫茲光源,其輻射波長不依賴于帶隙,僅取決于超晶格多量子阱的厚度,是一種頻率可調(diào)范圍大的緊湊型太赫茲源。但是,單個(gè)THz QCL器件輸出功率有限,光束質(zhì)量也有待提高,互注入鎖相激光陣列是提高THz QCLs的單模輸出功率和光束質(zhì)量的重要手段,研究其鎖相性質(zhì)有助于研究側(cè)面耦合及其他類型鎖相QCLs陣列的基本性質(zhì)。然而,與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器互注入陣列相比,互注入THz QCLs的相位鎖定、噪聲、調(diào)制以及自混合傳感應(yīng)用的研究仍然有限。本論文主要從三個(gè)方面研究了光注入下THz QCLs的動(dòng)力學(xué)行為,具體研究內(nèi)容如下:(1)基于速率方程理論,研究了互注入THz QCLs的相位鎖定、噪聲和調(diào)制響應(yīng)性質(zhì)。發(fā)現(xiàn)激光器的耦合強(qiáng)度κ和線寬增強(qiáng)因子α是影響相位鎖定范圍的主要因素,且鎖相帶寬隨κ和α增大而增大。在非鎖相工作狀態(tài)下,隨參數(shù)不同光場表現(xiàn)出周期振蕩等非線性行為,特別是當(dāng)兩激光器頻率失諧足夠大時(shí),電場受到頻率為失諧頻率的調(diào)制。然后,我們計(jì)算了自由運(yùn)行、主從注入以及互注入THz QCLs的自發(fā)輻射噪聲,三種情況均在低頻范圍表現(xiàn)為白噪聲,且相同參數(shù)下互注入THz QCLs噪聲最強(qiáng),減小互注入耦合強(qiáng)度和增大注入電流是降低噪聲的兩個(gè)方法。最后,通過小信號(hào)分析,我們計(jì)算了鎖相THz QCLs的調(diào)制響應(yīng)特性,互注入陣列的調(diào)制帶寬隨注入電流和耦合強(qiáng)度增大而增大,在低頻極限下,兩個(gè)激光器的相位完全同步,增大調(diào)制頻率陣列內(nèi)激光器相位差隨之增大。這些結(jié)果有助于加深對(duì)光注入THz QCLs的非線性動(dòng)力學(xué)行為的理解,并為THz QCLs鎖相陣列的設(shè)計(jì)提供理論支持。(2)理論研究了互注入THz QCLs陣列的自混合速度傳感方案,分析了不同頻率失諧和反饋強(qiáng)度參數(shù)下陣列的自混合工作特性。在鎖相范圍內(nèi),自混合注入較弱時(shí),陣列中的每個(gè)激光器仍可以保持相位鎖定,并均可用作自混合速度傳感器;當(dāng)頻率失諧足夠大,陣列內(nèi)激光器之間耦合被破壞無法鎖相,只有接收反饋光的激光器仍可用于自混合速度測量;強(qiáng)自混合反饋下THz QCLs陣列雖不穩(wěn)定,但是也可用于自混合速度測量;此外,互注入THz QCLs能夠同時(shí)測量兩個(gè)獨(dú)立的移動(dòng)目標(biāo)。這些結(jié)果為THz QCLs陣列自混合傳感和多目標(biāo)快速測量應(yīng)用提供了理論支持。(3)研究了互注入THz QCLs和二極管激光器的非線性動(dòng)力學(xué)行為。當(dāng)兩個(gè)激光器頻率失諧為0時(shí),互注入THz QCLs可以在模擬的耦合強(qiáng)度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定工作,且其動(dòng)力學(xué)行為和單個(gè)THz QCL的自混合相似;互注入二極管激光器雖在小的耦合強(qiáng)度條件下可以相位鎖定,但隨耦合強(qiáng)度增大電場幅度先為周期振蕩之后表現(xiàn)為復(fù)雜的非線性振蕩。當(dāng)兩個(gè)激光器頻率失諧不為0時(shí),如果互注入的THz QCLs耦合強(qiáng)度不大,電場幅度表現(xiàn)為周期振蕩,當(dāng)耦合強(qiáng)度足夠大,則可以鎖相穩(wěn)定工作;互注入的二極管激光器隨著頻率失諧增大,經(jīng)歷從周期振蕩到非線性振蕩的過程,這些結(jié)果有助于加深對(duì)互注入THz QCLs在不同參數(shù)下工作特性和非線性行為的理解。
【學(xué)位單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TN248
【部分圖文】：

?第１章緒論???第１章緒論??１．１太赫茲波簡介??太赫茲（ＴＨｚ）波是介于紅外和微波之間，波長為３０？３００（Ｖｍ，頻率為０．１？??１０?ＴＨｚ的電磁波。傳統(tǒng)電子學(xué)器件大多工作于ＧＨｚ及更低的頻段，光學(xué)器件大??多工作在幾十太赫茲以上的高頻段。以半導(dǎo)體器件為例，如圖１．１所示，基于電??子輸運(yùn)的晶體管和其他量子器件的頻率限制約為５０?ＧＨｚ，高于此頻率的器件效??率會(huì)大幅降低；另一方面，半導(dǎo)體激光器的波長僅可以擴(kuò)展到１０＂?ｍ?（約為３０??ＴＨＺ）。因此，太赫茲波在電磁波頻譜中的地位十分特殊，晶體管和傳統(tǒng)的半導(dǎo)體??ＩＲ?＾?Ｖｉｓｉｂｌｅ；＾??圖１．１太赫茲間隙示意圖１１１??激光器無法產(chǎn)生０．３?ＴＨｚ到３０?ＴＨｚ頻率范圍的電磁波，電能不能有效地轉(zhuǎn)換為??電磁輻射，即存在所謂的太赫茲間隙。除了太赫茲源的缺乏，在過去很長的一段??時(shí)間里，其它諸如太赫茲探測器、調(diào)制器等基礎(chǔ)器件也處于欠發(fā)展?fàn)顟B(tài)，因此，??與紅外、毫米波、可見光等波段相比，太赫茲技術(shù)研究和應(yīng)用相對(duì)落后。??在過去的二十年中，高性能緊湊型的太赫茲源和檢測器不斷出現(xiàn)，推動(dòng)了太??赫茲技術(shù)的深入研究，太赫茲波的獨(dú)特性質(zhì)被逐漸揭示出來。首先，太赫茲輻射??能夠穿透許多通常在可見／紅外頻率下是不透明的非極性和非金屬的材料，這些??材料包括塑料、紙張、陶瓷、木材和織物。這種穿透力，再加上亞毫米級(jí)衍射極??限，引起了人們對(duì)其在安檢成像、無損檢查和質(zhì)量控制等應(yīng)用領(lǐng)域的興趣。??太赫茲波的第二個(gè)重要特性是它們?cè)谝幌盗杏袡C(jī)和無機(jī)材料中激發(fā)振動(dòng)模??式的能力，可以根據(jù)材料的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)來區(qū)分樣品，推動(dòng)了太赫茲成像??技術(shù)在化學(xué)藥品（包括非法藥物

射線弱約六個(gè)數(shù)量級(jí)，因此可以保證對(duì)活組織沒有危害。??不過，太赫茲波在應(yīng)用中也存在一些限制，例如金屬和水是兩類可以阻止太??赫茲波通過的材料，任何厚度超過幾微米的金屬層都能完全反射入射的太赫茲??波。液態(tài)水和所有濕物質(zhì)，包括大多數(shù)生物組織，都具有很強(qiáng)的吸收系數(shù)，比可??見光范圍的吸收系數(shù)高約六個(gè)數(shù)量級(jí)。盡管實(shí)驗(yàn)上觀測到了可通過高達(dá)２?ｃｍ水??層傳輸?shù)奶�赫茲波，但�?duì)于醫(yī)療應(yīng)用而言仍然不足。不過這種在生物組織中的強(qiáng)??吸收在農(nóng)業(yè)中有應(yīng)用前景，可以對(duì)植物水含量進(jìn)行精確，無創(chuàng)的測量［２］。圖１．２是??使用太赫茲波進(jìn)行透射成像的演示，由于水對(duì)太赫茲波有較大的吸收系數(shù)，拍攝??活蜥蜴的透射圖像較為困難，但是可以測量新鮮葉片中的水分。??Ｗ?（６）??圖１．２水對(duì)太赫茲波的吸收演示１３１??如今，太赫茲波源和檢測手段取得了長足的進(jìn)步，太赫茲波被廣泛應(yīng)用于信??息和通信技術(shù)１４，５１、生物醫(yī)學(xué)［６，７１、材料無損檢測＆１（）１、食品和農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量控??制ｎｕ２ｉ、環(huán)境監(jiān)測ｉｂｉ以及超快速計(jì)算等越來越廣泛的領(lǐng)域中。??２??

?第１章緒論???ｂｅａｍ?ｅｐｉｔａｘｙ，?ＭＢＥ）技術(shù)生長，激發(fā)波長為４．３＾ｍ的量子級(jí)聯(lián)激光器的導(dǎo)帶能級(jí)??示意圖［３１］。??＾?Ｄｉｓｔａｎｃｅ??ｕｕ?ｉｔｌｎ??￣Ａｔｆｉｖｅ￣Ｉ?ＤｖｔａＪＴｙ?Ｉ?＾??ｒｅｇｉｏｎ?ｇｒａｄｅｄ?Ｂｌｌｏｙ?■一?？?ｌｒ－???－ＴＴ—■－??圖１．３量子級(jí)聯(lián)激光器能帶示意圖？??ＱＣＬｓ具有包含２０？３０個(gè)有源區(qū)和注入?yún)^(qū)的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，圖示了其中兩個(gè)重??復(fù)的周期。通過求解薛定諤方程，可以得出所有能級(jí)的波函數(shù)。圖中僅繪制了任??一重復(fù)周期的前三個(gè)束縛態(tài)，注入?yún)^(qū)用虛線表示。在圖１．３的例子中，有源區(qū)量??子阱厚度為６．０ｎｍ和４．７ｎｍ，中間勢壘的厚度為１．６ｎｍ，這種設(shè)計(jì)決定了?３能級(jí)??和２能級(jí)的能量差為２０７?ｍｅＶ（對(duì)應(yīng)于６．０ｐｍ的波長），２能級(jí)和１能級(jí)的能量差為??３７ｍｅＶ，這非常接近ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ有源區(qū)材料的縱光學(xué)聲子的能量。在適當(dāng)?shù)??偏壓下，電子從注入?yún)^(qū)隧穿到３能級(jí)（上輻射態(tài)），電子從該能級(jí)散射到較低的能??級(jí)２和１，并發(fā)出縱光學(xué)聲子（ＬＯ）。根據(jù)Ｆｒｏｅｈｌｉｃｈ相互作用模型，各能級(jí)的散??射時(shí)間為ｔ３２?＝?２．２?ｐｓ，ｔ３ｉ?＝?２．１?ｐｓ，?ｔ２ｉ?＝?０．３?ｐｓ，共振聲子設(shè)計(jì)保證了?２能級(jí)到??１能級(jí)的散射時(shí)間非常短。通過從前一個(gè)注入?yún)^(qū)隧穿的電子，僅需足夠快地注入??到３能級(jí)，通過隧穿從２能級(jí)離開，并迅速從１能級(jí)到達(dá)到注入?yún)^(qū)，在外部偏壓??下再次獲得能量，并注入到下一周期的有源區(qū)，從而可以實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)發(fā)光［３２＿３４］。??子帶間躍遷有幾個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢，首先，基于分子束外延技術(shù)（ｍｏｌｅｃｕｌａｒｂｅａｍ
【參考文獻(xiàn)】

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1 顧立;譚智勇;武慶釗;王長;曹俊誠;;20 Mbps wireless communication demonstration using terahertz quantum devices[J];Chinese Optics Letters;2015年08期

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1 李玉梅;GaN基太赫茲耿氏二極管結(jié)構(gòu)及工藝研究[D];西安電子科技大學(xué);2018年

本文編號(hào)：2888512