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THz一个极其重要的研究领域是发展高功率THz源,实现此目标的最佳途径是利用纳米结构各种独特的光学和电学性能,比如量子级联激光器、非对称耦合量子阱、Bloch振荡器等.但这些量子器件制备复杂,转换效率底下,并且实际使用条件苛刻,制约了它们在相关领域的应用.因此研制一种高效率,低成本的THz源具有非常重要的意义.
本文从非线性晶体辐射THz电磁波的基本原理出发,推导出光整流机制辐射THz电磁波的最佳条件.由此条件出发,本文采用局域光路方法探测了THz电磁波.相比传统的自由空间光路,局域光路具有灵敏度高,抗干扰能力强,辐射衰减小等优点.
局域光路能够轻松地观察到在不同激励情况下,ZnSe晶体中发生的各种辐射机制。即在低激发功率密度时,THz辐射以漂移电流机制为主,随着激发功率密度的增加,扩散电流机制取代漂移电流机制成为主导,在更高的功率密度下,光学整流机制最终成为主导机制.
利用激光烧蚀技术,我们在ZnSe晶体表面上制备出之际约为100～200nm的纳米颗粒,纳米颗粒的直径由激光波长和材料折射率所决定.由于纳米颗粒本身所特有的Lightning-rodeffect(避雷针效应)以及Local-plasmon effect(局域等离子体效应),ZnSe晶体的纳米表面拥有更大的表面电场以及非线性光学系数,从而具有更高的THz转换效率.相比光滑表面ZnSe晶体,纳米表面样品能提高一倍的THz辐射能量,并且需要更高的泵浦光功率才能实现THz电磁波的辐射反转.
利用菲涅尔公式,本文推导出了理想纳米表面晶体的THz辐射公式.纳米颗粒对THz辐射的贡献除了能增加吸收面积以外,还能增强泵浦光的入射电场,从而能大幅地增强纳米表面的THz辐射.在计算中发现,只有在一定入射角下,才能观察到纳米表面辐射增强现象,其增强倍数受纳米颗粒外形参数以及表面电场增强系数决定.根据这—特性,我们可以利用纳米加工技术加工出所需的纳米颗粒阵列,以获得最佳的THz辐射效率.
本文发现了一种简易可行的提高光整流机制下THz辐射功率的方法.对纳米颗粒辐射特性的影响进行了初步的研究,发现纳米颗粒能够增强晶体对泵浦光的吸收,并能提高非线性效应的转换效率,这些研究为进一步研究纳米结构对太赫兹波辐射源的影响奠定了基础.