微腔光电导太赫兹辐射源辐射特性研究

微腔是指具有高品质因子且尺寸与谐振波长相比拟的微型谐振器。将辐射源放置于微腔中，其辐射特性会受到调制，这一论断先后在微波和光学频段得到证实。尤其在光学频段，近年来，已实现自发辐射增强、光谱窄化、辐射寿命变短、辐射能量空间再分布等各种腔量子电动力学效应，并由此开发出一系列新型的光电器件，如谐振腔发光二极管、垂直腔面发射激光器以及有机微腔发光二极管等。.本项目着眼于电磁波谱上研究相对薄弱的一段THz间隙，提出将微腔与光电导太赫兹辐射源相结合，构成微腔太赫兹辐射源的设想。研究反射镜在太赫兹波段的反射性能以及太赫兹辐射源在受限空间内的辐射特性。选取合适的金属反射镜和介质反射镜（布拉格反射镜，DBR）组成平面微腔结构，通过改变器件的腔长，实现单色性好、连续调谐、波束质量高、峰值辐射强度得到极大提高的太赫兹辐射源。将之作为光源应用于太赫兹成像和光谱分析方面，可提高成像系统的空间分辨率以及光谱分辨率。

微腔是指具有高品质因子且尺寸与谐振波长相比拟的微型谐振器。将辐射源置于微腔结构中，其辐射特性会受到调制，这一论断先后在微波和光学频段得以证实。并由此开发出了一系列新型光电器件。. 本项目针对现有太赫兹（THz）辐射源普遍存在的辐射功率和效率偏低这一缺点，提出将平面微腔结构与光电导THz辐射源相结合，改善THz辐射源辐射特性的设想。采用超薄金属和多层介质膜作为平面微腔的两端反射镜。利用真空热蒸发法制备了不同厚度的Ti、Cr和Ni超薄膜，并获得了它们的THz时域透射谱，提取了折射率、消光系数、吸收系数等光学参数，研究了超薄金属膜作为THz波段反射镜的可行性。采用旋涂或旋涂结合煅烧的方法制备了不同重量比的TiO2:PVDF、ZrO2:PVDF、Al2O3:PVDF、PVDF、TiO2:PMMA、ZrO2:PMMA、PS:PMMA、PMMA和陶瓷TiO2、MgO、Al2O3膜，同样获得了它们在太赫兹波段的光学参数，并根据所得光学参数设计并制备了THz波段多层介质反射镜[TiO2/Al2O3]2/TiO2和[TiO2/MgO]2/TiO2。设计了基于LT-GaAs的全金属平面微腔光电导THz辐射器件，器件的谐振频率分别为0.33THz，0.66THz，0.99THz，1.32THz和1.65THz，相比自由空间的光电导THz谱，在谐振频率0.33THz处的峰值强度提高了50倍，光谱半宽（FWHM, Full Width at Half Maximum）压缩了50倍。讨论了辐射偶极子与腔内驻波场之间的耦合强度对器件辐射强度的影响。发现当辐射中心处于驻波场波腹处时，器件辐射最强；处于波节时辐射被严重抑制，为实现单色性好，连续调谐，高效高辐射强度的THz源提供了理论依据。设计了两种结构为DBR/LT-GaAs/DBR的对称THz光学微腔结构，并模拟了腔结构的辐射光谱。结果表明：通过引入谐振腔，两种DBR组成的微腔器件在谐振波长处的强度分别提高了19和14倍。其中Si/[TiO2/Al2O3]2 TiO2/LT-GaAs(12μm) /[TiO2/Al2O3]2 TiO2腔的辐射光谱存在两个峰，分别位于208μm和248μm，分析了出现两个谐振峰的原因。探讨了通过引入介质谐振腔实现对THz源的辐射特性进行调控的可行性。