新型固态可调连续波太赫兹光源的研究

Terahertz (THz) electromagnetic waves have attracted worldwide research interest, and the very basic and important step is to fabricate various THz sources (signal generators) for different purposes. Intrinsic Josephson junctions (IJJ) naturally existing in high-temperature superconductors can be a good candidate for THz generation regarding the operation frequency range, the tunability, and the linewidth. The aim of this project is to develop a novel tunable continuous wave solid state terahertz source based on superconducting intrinsic Josephson junction arrays. We will work on the following aspects: a) to investigate the relationship between terahertz emission tunability, amplitude and the internal energy distribution; b) to adjust the energy distribution in the junction array; c) to improve the output power, linewidth and frequency tunability of the terahertz emission. With solving the above problems, and then understanding the synchronization mechanism in the Josephson junction array, we will try to develop a phase-locked tunable continuous-wave terahertz source with an output power at several mini watts, a frequency range of 300 GHz to 2 THz, and a tunability of 40%. Such terahertz sources can find themselves many practical applications, e.g., as a local oscillator of an integrated THz receiver.

开发太赫兹（THz）波段的重要意义已为各界广泛认识，而有关工作中重要的一环是研制合适的太赫兹源（信号发生器）。由于应用或研究目标的不同，对于太赫兹源有不同的要求。高温超导体内本征约瑟夫逊结（IJJ）阵列在太赫兹波段的辐射，在频率覆盖范围、频率可调性、频谱纯度等方面有独到的特点，可望制成功率输出达毫瓦级的连续波太赫兹源。本项目即以此为目标，着重研究下列问题：a)IJJ阵列作为太赫兹源工作时，内部能量分布与输出的THz辐射强度、频率及频率可调性之间的关系；b)调控IJJ阵列内部能量分布的方法；c)进一步提高功率输出、频率可调性、频谱纯度，制成功率达毫瓦级、频率覆盖范围300GHz至2THz、频率可调范围40%、锁频锁相的信号源，并制成可供实际使用的仪器或模块，如太赫兹接收机的本振信号源。

太赫兹（THz）波在物理上是指频率在0.1到10THz范围内的电磁波，开发THz波段的重要意义已为各界广泛认识，而其中最关键的一环是研制合适的THz源（信号发生器）。由于应用或研究目标的不同，对于THz源有不同的要求，特别是其频率范围和可调性，以及频谱纯度等方面。2007年，Bi2Sr2CaCu2O8+δ（BSCCO）高温超导体沿其c方向的本征约瑟夫森结（IJJs）阵列，在电流偏置下可谐振出THz波段的电磁波，其理论频率范围可达0.1到10THz、频率连续可调，因此具有广阔的应用前景。.在本项目中，完成的研究内容和取得的成果如下：1）THz源方面。发明了一种GBG（Gold-BSCCO-Gold） “三明治”结构的BSCCO辐射源，并由此改进为SWS（SandWich-Structure）“三明治”结构，优化了器件的导热性能，从而大幅提高了辐射功率至毫瓦量级，增大频率覆盖范围到0.1-2THz，频率可调范围超过40%，并实现锁频锁相的信号源。相关成果得到国内外同行的重视，被《Nature Photonics》的综述论文多处重点介绍。2）THz辐射机理方面。针对THz辐射源内部物理机制的影响因素（包括THz谱、热、电磁波等物理性能），项目组自主开发了一套超导THz信号检测与低温扫描激光显微镜（LTSLM, Low Temperature Scanning Laser Microscope）复合测试系统，实现了各物理性能的原位表征。研究了THz辐射源内部不同的能量分布与输出的THz辐射强度和频谱的内在联系，提出了BSCCO本征结结阵作为THz源工作时约瑟夫森振荡的同步机制和影响BSCCO本征结结阵内部能量分布的因素。通过聚焦激光，实现了THz源功率的人工调控。该测试系统为全面探索THz源机制和提高性能提供了有力的测试和分析手段，推动了国内THz固态源的设计与制备。该项成果被国内外同行广泛关注。3）THz辐射源应用方面。项目组探索了基于BSCCO超导体的THz辐射源的实用性，制成了可以在液氮温区工作的小型便携式超导THz源。完成了全超导THz接收机的探索，实现了气体THz光谱的检测。上述相关成果转化为32篇SCI论文和10项国家专利。目前在本研究组我们的太赫兹源已替代了国外产品，德国、日本、俄罗斯等国的研究组也使用我们的太赫兹源进行合作研究。