太赫茲時(shí)域頻譜儀用寬帶光導(dǎo)天線的研究*

王自成,謝文球,劉青倫,唐伯俊,李現(xiàn)霞

(1.中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所,北京 1000190;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100039)

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太赫茲時(shí)域頻譜儀用寬帶光導(dǎo)天線的研究*

王自成1*,謝文球1,2,劉青倫1,唐伯俊1,李現(xiàn)霞1

(1.中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所,北京 1000190;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100039)

摘要:采用大型電磁計(jì)算軟件CST對(duì)一種現(xiàn)有的偶極子型光電導(dǎo)天線的方向性進(jìn)行仿真計(jì)算。結(jié)果表明,這種偶極子型光電導(dǎo)天線或最大輻射方向隨著頻率的變化而發(fā)生顯著變化,方向性比較差,造成其在應(yīng)用于太赫茲時(shí)域頻譜儀時(shí)效率低下,且對(duì)環(huán)境存在電磁污染的問題。本文的研究方法可以用于研究新的光電導(dǎo)天線,從而改進(jìn)太赫茲時(shí)域頻譜儀用光電導(dǎo)天線的性能。

關(guān)鍵詞:太赫茲;時(shí)域頻譜儀;偶極子型光電導(dǎo)天線;電磁場(chǎng)計(jì)算機(jī)模擬

太赫茲THz(Terahertz)波是頻率在0.1 THz～10 THz之間的電磁波。近幾年來,隨著人們對(duì)太赫茲波的產(chǎn)生和探測(cè)技術(shù)研究的日漸深入,太赫茲波在物質(zhì)特性分析[1-3]、成像[4]、探測(cè)[4-6]、遙感[7]和國(guó)防[8-9]上面的作用日益突顯出來,由此引起了一場(chǎng)世界范圍內(nèi)的針對(duì)太赫茲波的研究熱潮。其中,太赫茲時(shí)域頻譜儀Terahertz TDS(Terahertz Time Domain Spectroscopy)就是一種具有廣闊應(yīng)用前景的新型太赫茲應(yīng)用設(shè)備,在美歐已經(jīng)有上市產(chǎn)品,但目前國(guó)內(nèi)還少有系統(tǒng)層面及關(guān)鍵技術(shù)層面的研究報(bào)道。

在太赫茲時(shí)域頻譜儀的應(yīng)用研究方面,美國(guó)的Thomas W Crowe等利用太赫茲時(shí)域頻譜儀測(cè)量肉牛胸腺DNA的太赫茲頻譜,顯示出這種儀器在食品質(zhì)量與安全檢測(cè)方面的應(yīng)用潛力[10];臺(tái)灣國(guó)立師范大學(xué)的Liu H L和美國(guó)國(guó)家同步加速器光源Brookhaven國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Carr G L等比較了裸露硅基片和覆蓋石墨納米薄膜的硅基片的太赫茲透射譜,臺(tái)灣地區(qū)的K.I.Lin等檢測(cè)了INP等材料的自發(fā)極化場(chǎng)所產(chǎn)生的太赫茲輻射[11],這些都顯示出該設(shè)備在材料檢測(cè)與研究方面的巨大應(yīng)用前景;國(guó)內(nèi)的劉囡和徐開俊等報(bào)道了將太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)用于氨基酸類、糖類、嘌呤嘧啶類、蛋白質(zhì)和肽類等物質(zhì)的分析鑒別的應(yīng)用情況[12],岳偉偉和王衛(wèi)寧等也報(bào)導(dǎo)了將太赫茲時(shí)域光譜儀用于分析芳香族氨基酸的研究[13],這些報(bào)導(dǎo)展現(xiàn)了太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的誘人應(yīng)用前景。

盡管太赫茲時(shí)域頻譜儀具有廣闊的應(yīng)用空間,但國(guó)外上市產(chǎn)品十分昂貴,國(guó)內(nèi)又尚無上市產(chǎn)品,這限制了許多本應(yīng)開展的應(yīng)用。因此,開展太赫茲時(shí)域頻譜儀相關(guān)理論與技術(shù)研究成為國(guó)內(nèi)最終實(shí)現(xiàn)太赫茲時(shí)域頻譜儀的當(dāng)務(wù)之急。本文就太赫茲時(shí)域頻譜儀用寬帶光導(dǎo)天線進(jìn)行計(jì)算模擬,初步探索了設(shè)計(jì)太赫茲時(shí)域頻譜儀用寬帶光導(dǎo)電天線的計(jì)算機(jī)模擬方法。

1　太赫茲時(shí)域頻譜儀原理及寬帶光導(dǎo)天線的作用

太赫茲時(shí)域頻譜儀采用飛秒電磁脈沖照射待研究的材料或樣品,通過檢測(cè)從樣品上反射回來的電磁脈沖的反射譜或檢測(cè)透過樣品的透射譜來研究材料或樣品的性質(zhì)。目前產(chǎn)生這種飛秒電磁脈沖的方法有許多,比如采用非線性光學(xué)晶體以把飛秒激光脈沖下變頻到太赫茲頻段的方法以及由激光脈沖驅(qū)動(dòng)的光導(dǎo)天線產(chǎn)生太赫茲輻射的方法。前者需要兩臺(tái)激光器,成本十分昂貴。后者只需要一臺(tái)飛秒激光器,成本成倍下降。因此,在太赫茲時(shí)域頻譜儀中采用寬帶光導(dǎo)天線具有一定優(yōu)勢(shì)。

在太赫茲時(shí)域頻譜儀中,光導(dǎo)天線既作為輻射太赫茲波的發(fā)射器,還擔(dān)負(fù)著接收來自樣品的太赫茲反射波或透射波的接收器功能。如果對(duì)天線的方向性沒有足夠的了解,因而沒有將天線最大波瓣方向?qū)?zhǔn)樣品,那么照射到樣品上的太赫茲能量只有很少一部分,而其他能量都流向其他方向,不僅浪費(fèi)了能量,還造成電磁污染。而太赫茲時(shí)域頻譜儀是需要與人頻繁接觸的高科技儀器,對(duì)可能造成人體傷害的電磁污染是不能容忍的。此外,在這種情況下,天線同樣不可能有效接收太赫茲波。尤其對(duì)于太赫茲時(shí)域頻譜儀用光導(dǎo)天線,要求其帶寬越寬越好(從1 THz～5 THz的寬度),而任何天線都可能存在最大輻射方向隨著頻率而改變的情況。因此,同使用天線的任何場(chǎng)合一樣,計(jì)算天線的方向性是光導(dǎo)天線設(shè)計(jì)的首要任務(wù)。

但是,目前報(bào)導(dǎo)過的光導(dǎo)天線一般都是簡(jiǎn)單地在半導(dǎo)體基片上制作微帶雙線,基本上還屬于原理模型性質(zhì),很少對(duì)天線的方向性和寬帶性能進(jìn)行計(jì)算[14]。這種光導(dǎo)天線無疑具有很寬的帶寬,但是在實(shí)際應(yīng)用中,這種天線必須安裝在適當(dāng)?shù)闹Ъ艿劝惭b結(jié)構(gòu)之上。而作為天線,這種安裝結(jié)構(gòu)必然影響其天線性能。此外,上述研究者沒有計(jì)算這種天線的方向性,因而未對(duì)如何有效使用這種天線提供必要技術(shù)信息。

為了充分了解光導(dǎo)電天線的方向性,本文嘗試采用大型電磁計(jì)算軟件CST對(duì)其進(jìn)行仿真計(jì)算,下面給出相應(yīng)的結(jié)果。

2　偶極子型光電導(dǎo)天線的模擬

文獻(xiàn)[15]制作并測(cè)試了一種偶極子型光電導(dǎo)天線。該天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示,由制造在沉積著硅的藍(lán)寶石基片SOS(Silicon-On-Sapphire Substrate)之上的共面光電導(dǎo)偶極子和共面微帶饋線組成。基片厚度250 μm,所沉積的外延硅取<100>晶格方向,厚度0.6 μm。在該文獻(xiàn)中,偶極子的橫向尺寸分別為200 μm、100 μm和50 μm 3種。對(duì)于50 μm的偶極子,微帶饋線的之間的間距及其各自的寬度為20 μm;對(duì)于其他偶極子,微帶饋線的之間的間距及其各自的寬度為10 μm。本文采用上述第1種偶極子尺寸參數(shù),建立CST的計(jì)算模型,如圖1(b)所示。

圖1　偶極子型光電導(dǎo)天線及其CST模擬模型

圖2　偶極子型光電導(dǎo)天線的CST模擬模型中的電流激勵(lì)信號(hào)

在實(shí)際的偶極子型光導(dǎo)電天線中,偶極子兩端通過微帶饋線加有一個(gè)直流電壓。當(dāng)作為偶極子的光導(dǎo)電材料受到亞皮秒或飛秒激光的照射時(shí),偶極子在直流電壓下瞬間導(dǎo)電。當(dāng)激光脈沖過后,偶極子內(nèi)的光電導(dǎo)逐漸消失。由此形成大致如圖2所示的導(dǎo)電電流,正是該導(dǎo)電電流激勵(lì)了太赫茲波輻射。遺憾的是,目前CST還沒有光導(dǎo)電激勵(lì)模型,因此在上述模擬計(jì)算中,偶極子用設(shè)置在其中心位置的電流端口模擬。電流激勵(lì)信號(hào)設(shè)置為如圖2所示的雙指數(shù)型信號(hào),即電流先以隨時(shí)間的正指數(shù)形式快速上升,達(dá)到最大值后,隨即以時(shí)間的負(fù)指數(shù)形式下降。

此外,將上述模型的6個(gè)方向均設(shè)為Open(add space)邊界。用CST的T模塊對(duì)上述模型進(jìn)行計(jì)算,獲得的關(guān)于偶極子型光電導(dǎo)天線的方向性的計(jì)算結(jié)果示于圖3。其中,圖3(a)示出的是天線遠(yuǎn)場(chǎng)電場(chǎng)幅度在200 GHz時(shí)的三維方位圖,圖3(b)～圖3(f)是天線遠(yuǎn)場(chǎng)電場(chǎng)幅度在y=0平面的二維方位圖,分別對(duì)應(yīng)于200 GHz、400 GHz、600 GHz、800 GHz和1 000 GHz。

圖3　一種偶極子型光電導(dǎo)天線的遠(yuǎn)場(chǎng)電場(chǎng)幅度方位圖

圖4　基片安裝于導(dǎo)電基座上的偶極子型光電導(dǎo)天線的遠(yuǎn)場(chǎng)電場(chǎng)幅度方位圖

從圖3(a)可以看出,在200 GHz時(shí),天線的最大輻射方向是z方向和-z方向(即是與藍(lán)寶石基片相垂直的方向),且2個(gè)方向的幅度差不多。也就是說,如果將z方向?qū)?zhǔn)樣品,那么從相反方向遺失的電磁能量也具有差不多相同的水平。此外,圖3(b)～圖3(f)可以看出,隨著頻率的增加,波瓣數(shù)量增加。且天線的最大輻射方向隨著頻率的變化發(fā)生顯著變化,未能在全頻段內(nèi)大致向同一個(gè)方向輻射。這些結(jié)果同本文在上面作出的預(yù)測(cè)一致,該天線的方向性較差,在應(yīng)用于太赫茲時(shí)域頻譜儀時(shí)具有上面提到的缺點(diǎn)。

為了避免天線向-z方向輻射太赫茲波,更主要的是為了模擬將基座置于導(dǎo)電底板上或?qū)⑴紭O子光導(dǎo)天線安裝在導(dǎo)電基座上后的方向性,將上述模型中的-z方向的邊界條件設(shè)置為Et=0。重新計(jì)算后,獲得的結(jié)果如圖4所示。其中,圖4(a)示出的是天線遠(yuǎn)場(chǎng)電場(chǎng)幅度在200 GHz時(shí)的方位圖,圖4(b)～圖4(f)是天線遠(yuǎn)場(chǎng)電場(chǎng)幅度在y=0平面的二維方位圖,分別對(duì)應(yīng)于200 GHz、400 GHz、600 GHz、800 GHz和1 000 GHz。從圖4可以看出,將偶極子光導(dǎo)天線安裝在導(dǎo)電基座上后,確實(shí)避免了太赫茲電磁能量向-z方向的半空間的輻射。但是,在z方向的半空間內(nèi),天線表現(xiàn)出的方向性很差,僅有幾個(gè)dB。此外,天線的最大波瓣方向并非與z方向重合,而是更接近x方向?？梢远ㄐ缘卣J(rèn)為,這是因?yàn)楣鈱?dǎo)電偶極子在藍(lán)寶石基片上處于靠近x方向的一端。

3　結(jié)論

采用大型電磁計(jì)算軟件CST對(duì)一種偶極子型光電導(dǎo)天線進(jìn)行仿真計(jì)算。結(jié)果表明,在不考慮任何安裝條件,即將這種偶極子型光電導(dǎo)天線置于完全開放空間的情況下,天線的最大輻射方向是z方向和-z方向。且隨著頻率的增加,不僅波瓣數(shù)量增加,天線的最大輻射方向隨著頻率的變化發(fā)生顯著變化,未能在全頻段內(nèi)大致向同一個(gè)方向輻射。而在將該偶極子型光電導(dǎo)天線安裝在無窮大導(dǎo)電平面上的條件下,可以避免太赫茲電磁能量向-z方向的半空間的輻射,但是,在z方向的半空間內(nèi),天線表現(xiàn)出的方向性比較差,僅有幾個(gè)dB。這種缺點(diǎn)使其在應(yīng)用于太赫茲時(shí)域頻譜儀時(shí)效率低下,且對(duì)環(huán)境存在電磁污染的問題。本文的工作表明可以采用CST對(duì)偶極子型光導(dǎo)電天線方向性進(jìn)行計(jì)算,其方法可以用來對(duì)新的光電導(dǎo)天性進(jìn)行模擬計(jì)算和研究。

參考文獻(xiàn):

[1]Gallerano G P,Biedron S.Overview of Terahertz Radiation Sources

[C]//Proceedings of the 2004 FEL Conference,Trieste,Italy,2004:216-221.

[2]Chattopadhyay S.Emerging Concepts,Technology and Opportunities for Mezzo-Scale Terahertz and Infrared Facilities[C]//Proceedings of EPAC 2004,Lucerne,Switzerland,2004:2454-2456.

[3]Flanders B N.The Pure Rotational Spectrum of Solvated HCI:Solute-Bath Interaction Strength and Dynamics[J].The Journal of Physical Chemstry.A 1999,103(49):10054-10064.

[4]袁宏陽,葛新浩,焦月英,等.基于BWO連續(xù)太赫茲波成像系統(tǒng)的無損檢測(cè)[J].應(yīng)用光學(xué),2008,29(6):912-916.

[5]葛新浩,呂默,鐘華,等.反射式太赫茲返波振蕩器成像系統(tǒng)及其應(yīng)用研究[J].紅外與毫米波學(xué)報(bào),2010,29(1):15-18.

[6]Ding Shenghai,Li Qi,Yao Rui,et al.High-Resolution Terahertz Imaging and Image Restoration[J].Applied Optics,2010,49(36):6834-6839.

[7]戴寧,葛進(jìn),胡淑紅,等.太赫茲探測(cè)技術(shù)在遙感應(yīng)用中的研究進(jìn)展[J].中國(guó)電子科學(xué)院學(xué)報(bào),2009(3):231-236.

[8]戚阻敏.太赫茲波在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].紅外,2010,29(12):1-4.

[9]Kempkes M A,Hawkey T J,Gaudreau A P J,et al.W-Band Transmitter Upgrade for the Haystack Ultra-Wideband Satellite Imaging Radar(HUSIR)[C]//Eighth IEEE International Vacuum Electronics Conference,IVEC 2007,Kitakyushu,Japan,May 15-17,2007:439-440.

[10]Thmas W Crowe,Tatiana Globus,Dwight L Woolard,et al.Terahertz Sources and Detectors and Their Application to Biological Sensing[C]//Phil Tran R Soc Lond,A,2004,362:365-377.

[11]Liu H L,Carr G L,Worsley K A,et al.Exploring the Charge Dynamics in Graphite Nanoplatelets by THz and Infrared Spectroscopy[J].New Journal of Physics,12(2010)113012(http://www.njp.org/).

[12]劉囡,徐開俊,周建平,等.太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)在藥學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用[J].藥學(xué)進(jìn)展,2008,32(9):398-406.

[13]岳偉偉,王衛(wèi)寧,周建平,等.芳香族氨基酸的太赫茲光譜研究[J].物理學(xué)報(bào),2003,54(7):3094-06.

[14]Justin T Darrow,Xi-Cheng Zhang,David H Auston,et al.Saturation Properties of Large-Aperture Photoconducting Antennas[J].IEEE Journal of Quantum Electronics,1992,28(6):1607-1616.

[15]Peter R Smith,David H Auston,Martin C Nuss.Subpicosecond Photoconducting Dipole Antennas[J].IEEE Journal of Quantum Electronics,1988,21(2):255-260.

王自成(1966-),1986年畢業(yè)于云南大學(xué)固體物理專業(yè),1989年獲云南大學(xué)固體物理專業(yè)理學(xué)碩士學(xué)位,1998年獲北京真空電子技術(shù)研究所工學(xué)博士學(xué)位,1999年始在中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所工作至今。完成過多項(xiàng)總裝及國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目,已發(fā)表論文20余篇,獲得國(guó)家發(fā)明專利多項(xiàng)?，F(xiàn)從事毫米波行波管、MMPM、返波管、新型短毫米波及THz真空器件等方面的研究,wzich_cn@sina.com。

AnStudyonPhotoconductingDipoleAntennasforTDS*

WANGZicheng1*,XIEWenqiu1,2,LIUQinglun1,TANGBojun1,LIXianxia1

(1.Institute of Electronics,Chinese Academy of Science,Beijing 100090,China;2.University of Chinese Academy of Science,Beijing 100039,China)

Abstract:A photoconducting dipole antennas reported by antecedent authors is calculated by CST for its directivity,showing the direction of the main lobe changes obviously v.s.frequency.As a result,the antennas has very low efficiency and has the risk of polluting the environment when it is used in terahertz time domain spectroscopy(TDS).The method proposed in the paper may be used to investigate new photoconducting dipole antennas for TDS.

Key words:Terahertz;terahertz time domain spectroscopy;photoconducting dipole antennas

doi:EEACC:527010.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.014

中圖分類號(hào):TH841

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005-9490(2014)05-0863-04

收稿日期:2013-10-09修改日期:2013-11-28

項(xiàng)目來源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61172016)