一種光控動(dòng)態(tài)可編程太赫茲波束方向精密控制器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于太赫茲科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及采用光控的可編程方式對(duì)太赫茲波 束的傳播方向精密控制器的方法，本發(fā)明適用于絕大部分需要對(duì)太赫茲波束傳播方向進(jìn)行 精密可編程控制的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著太赫茲源和探測(cè)器的快速發(fā)展，如今太赫茲技術(shù)以及被廣泛應(yīng)用于材料學(xué)、 生物醫(yī)學(xué)、安檢等諸多領(lǐng)域。然而，相對(duì)于太赫茲源和探測(cè)器的日趨成熟，太赫茲功能器件， 如強(qiáng)度相位調(diào)制器，低損耗的太赫茲波導(dǎo)，太赫茲透鏡相關(guān)的進(jìn)展卻較少。例如在太赫茲成 像技術(shù)中，我們還在采用機(jī)械式掃描的方式移動(dòng)樣品或探測(cè)器和發(fā)射源在χ-y方向上的位 置，而沒有電控或光控的太赫茲轉(zhuǎn)向器件直接調(diào)控太赫茲波的傳播方向。這種機(jī)械式掃描 方式在實(shí)際應(yīng)用中具有明顯的缺點(diǎn)：1)掃描速度慢：為了成一幅高分辨率圖像，往往需要 數(shù)分鐘的時(shí)間。雖然通過增加掃描速度，可以縮短成像時(shí)間，但是這樣會(huì)增加驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的負(fù) 擔(dān)，使得機(jī)械系統(tǒng)不穩(wěn)定；2)長(zhǎng)時(shí)重復(fù)性差：機(jī)械系統(tǒng)掃描完成之后需要復(fù)位，對(duì)于太赫茲 安檢儀等需要長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)的儀器，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)帶來的機(jī)械誤差會(huì)越來越大，最終超出可承 受的范圍。綜上所述機(jī)械式掃描太赫茲方向偏轉(zhuǎn)器速度慢，穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)嚴(yán)重限制了太 赫茲快速成像領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，為了擴(kuò)展太赫茲波的應(yīng)用領(lǐng)域，提高太赫茲系統(tǒng)的性能， 我們需要研制非機(jī)械式的快速太赫茲波方向偏振控制器件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是通過光控方式對(duì)半導(dǎo)體的載流子濃度進(jìn)行調(diào)控，激發(fā)光入射到半 導(dǎo)體上產(chǎn)生周期性介電常數(shù)變化的光柵結(jié)構(gòu)，太赫茲波入射到光柵結(jié)構(gòu)上衍射后的方向發(fā) 射變化。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0005] -種光控動(dòng)態(tài)可編程太赫茲波束方向精密控制器，包括：
[0006] 激光器，沿著激光器產(chǎn)生的激發(fā)光輸出方向依次設(shè)置有擴(kuò)束鏡、空間光調(diào)制器和 半導(dǎo)體薄片，
[0007] 太赫茲源和太赫茲透鏡，所述太赫茲透鏡設(shè)置在太赫茲波經(jīng)過半導(dǎo)體薄片衍射后 的傳播路徑上，
[0008] 控制器和探測(cè)器，控制器的控制輸出端連接到空間光調(diào)制器，探測(cè)器的信號(hào)輸出 連接到計(jì)算機(jī)，經(jīng)過太赫茲透鏡的太赫茲波輸入到探測(cè)器。
[0009] 在上述技術(shù)方案中，所述半導(dǎo)體薄片由基底和鍍層組成，所述基底為藍(lán)寶石，所述 鍍層為硅。
[0010] 在上述技術(shù)方案中，所述藍(lán)寶石基底的厚度為460μπι~520μπι，所述娃鍍層的厚 度為 18μπι~22μπι。
[0011] 在上述技術(shù)方案中，所述藍(lán)寶石基底的厚度為500μπι，所述硅鍍層的厚度為 20 μ m〇
[0012] 在上述技術(shù)方案中，所述鍍層硅可以用包括但不限于砷化鎵、銦砷化鎵或?qū)μ?茲敏感的半導(dǎo)體材料代替。
[0013] 本發(fā)明所述控制器的一種控制方法，包括以下步驟：
[0014] 步驟一：激光器產(chǎn)生的激發(fā)光經(jīng)過擴(kuò)束鏡打在空間光調(diào)制器上，通過控制器調(diào)制 的空間光調(diào)制器對(duì)激發(fā)光進(jìn)行調(diào)制，使得激發(fā)光經(jīng)過空間光調(diào)制器后被調(diào)制周期性結(jié)構(gòu)；
[0015]步驟二：經(jīng)過調(diào)制的激發(fā)光打在半導(dǎo)體薄片上，在半導(dǎo)體薄片表面形成周期性介 電常數(shù)變化的光柵結(jié)構(gòu)；
[0016]步驟三：太赫茲源發(fā)射出的太赫茲波束入射到半導(dǎo)體薄片，在半導(dǎo)體薄片表面的 光柵結(jié)構(gòu)上發(fā)生衍射；
[0017]步驟四：衍射后的太赫茲波方向?qū)l(fā)生偏轉(zhuǎn)，利用太赫茲透鏡對(duì)太赫茲波進(jìn)行聚 焦，并利用太赫茲波探測(cè)器對(duì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)的太赫茲波進(jìn)行探測(cè)，并將探測(cè)結(jié)果傳輸?shù)娇刂破鳌?br>[0018] 在上述方法中，所述步驟二中激發(fā)光打在半導(dǎo)體薄片上產(chǎn)生光生載流子，使載流 子濃度增加，達(dá)到調(diào)控半導(dǎo)體介電常數(shù)的目的，通過載流子隨激發(fā)光入射半導(dǎo)體薄片深度 的變化利用光學(xué)傳輸矩陣方法計(jì)算太赫茲波的反射率和相位隨載流子濃度/激發(fā)光強(qiáng)的 關(guān)系。
[0019] 在上述方法中，入射在光柵結(jié)構(gòu)不同位置的太赫茲波的反射幅度和相位均不同， 周期性的調(diào)控讓太赫茲波在等效的半導(dǎo)體光柵上發(fā)生衍射效應(yīng)，使太赫茲波的方向發(fā)生偏 轉(zhuǎn)。
[0020] 在上述方法中，利用閃耀光柵的概念，在一個(gè)光柵周期內(nèi)采用多級(jí)階梯的調(diào)制，達(dá) 到太赫茲波在-1級(jí)衍射效率最高的目的。
[0021] 在上述方法中，所述光柵結(jié)構(gòu)的周期d根據(jù)太赫茲波需要偏轉(zhuǎn)的角度Θ結(jié)合衍射 定律dsin0 =ηιλ來選取。
[0022] 本發(fā)明的設(shè)計(jì)理論是：通過光控方式對(duì)半導(dǎo)體的載流子濃度進(jìn)行調(diào)控，激發(fā)光入 射到半導(dǎo)體上，只要激發(fā)光的能量大于半導(dǎo)體帶隙，將會(huì)在半導(dǎo)體中激發(fā)出光生載流子；根 據(jù)Drude模型，半導(dǎo)體內(nèi)載流子濃度的改變也就對(duì)應(yīng)著半導(dǎo)體在太赫茲波段的介電常數(shù)變 化；由菲涅爾反射定律可知，當(dāng)半導(dǎo)體的介電常數(shù)發(fā)生變化時(shí)，入射到空氣和半導(dǎo)體界面的 太赫茲波的反射率和反射相位都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變；利用空間光調(diào)制器對(duì)激發(fā)光的強(qiáng)度進(jìn) 行調(diào)制形成周期結(jié)構(gòu)，周期性光柵結(jié)構(gòu)帶來的衍射效應(yīng)將會(huì)對(duì)入射到其上的太赫茲波方向 進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，而偏轉(zhuǎn)的角度由衍射定律決定。
[0023] 本發(fā)明的整個(gè)控制過程的實(shí)現(xiàn)分為四個(gè)部分：
[0024] -是根據(jù)Drude模型，半導(dǎo)體的介電常數(shù)與電子密度的關(guān)系為： & =匕-4 +如/Γ),其中％ =扣為半導(dǎo)體等離子頻率。N為載流子濃度， nf為載流子有效質(zhì)量，τ為載流子壽命?？梢钥吹焦璧慕殡姵?shù)與載流子濃度密切相關(guān)， 而半導(dǎo)體的本征等離子體頻率正好處于太赫茲區(qū)域，使得其在太赫茲波段的介電常數(shù)對(duì)載 流子濃度的變化非常敏感。通過激發(fā)光打在半導(dǎo)體上產(chǎn)生光生載流子，使載流子濃度增加， 即達(dá)到調(diào)控半導(dǎo)體介電常數(shù)的目的。
[0025]二是考慮光生載流子的隨激發(fā)光入射隨深度的變化，利用光學(xué)傳輸矩陣方法計(jì)算 太赫茲波的反射率和相位隨載流子濃度/激發(fā)光強(qiáng)的關(guān)系。
[0026] 三是利用空間光調(diào)制器產(chǎn)生周期性的光強(qiáng)調(diào)制，在半導(dǎo)體表面形成周期性介電常 數(shù)變化的光柵結(jié)構(gòu)，根據(jù)菲涅爾反射定律，入射在光柵不同位置的太赫茲波的反射幅度和 相位均不同。周期性的調(diào)控可以讓太赫茲波在等效的半導(dǎo)體光柵上發(fā)生衍射效應(yīng)，使太赫 茲波的方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。而根據(jù)衍射定律，對(duì)于正入射的太赫茲波dsinθ=ηιλ，太赫茲波的 衍射角度，亦即偏轉(zhuǎn)角度Θ可以通過改變光柵的周期d來控制。
[0027] 四是利用閃耀光柵的概念，在一個(gè)光柵周期內(nèi)采用多級(jí)階梯的調(diào)制，從而達(dá)到讓 太赫茲波在-1級(jí)衍射效率最高的目的。傳統(tǒng)光柵結(jié)構(gòu)的絕大部分能量衍射均為〇級(jí)衍射， 而〇級(jí)衍射無法改變太赫茲波的方向，因此利用傳統(tǒng)光柵結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)太赫茲波束方向的控 制對(duì)太赫茲波的能量利用率非常低。我們采用閃耀光柵的設(shè)計(jì)理念，讓太赫茲波偏轉(zhuǎn)到-1 級(jí)方向，會(huì)大大提尚偏轉(zhuǎn)后太赫茲波能量利用率。
[0028]綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：