大孔径SI-GaAs光电导天线非线性模式下THz电磁辐射分析

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鉴于THz波在生物医学、国防安全、物体成像、天文通讯等领域内具有广阔的应用前景,使得THz波产生和检测技术成为当今各国研究热点。光电导开关作为功率脉冲和宽带电磁波辐射源,用来发射THz波,具有体积小、制作简单等优点。本文首先对THz波技术以及其应用作了概述。利用光激发电荷畴模型对光电导天线非线性模式的产生机理进行了论述,并分析了线性和非线性两种工作模式的异同点。从入射光脉冲能量、持续时间等方面,分析了入射光脉冲形状和能量对触发后天线内部载流子密度的影响。利用电流连续性方程对高场下SI-GaAs体内电流的变化做了分析。利用Drude-Lorentz模型,并结合入射光和远场辐射公式,得出了天线内部电流的变化与THz辐射的关系,并分析了引起电流变化的两个因素(载流子的密度变化和加速度)对THz辐射场强度的影响。讨论了入射光能量对非线性模式的影响,得出非线性模式需要高能飞秒激光器的要求;计算了在非线性模式的触发条件下,所产生的屏蔽效应使天线内部有效电场大大削弱;同时,较长时间的lock-on维持电压的存在,降低了重复频率,大大减弱了辐射功率,这与大功率的要求相悖;当辐射屏蔽消失后,天线中电场恢复为偏置电场并在天线体内形成光激发电荷畴,计算了电子在畴内由于畴内的高场而加速引发的辐射,其频率亦在THz波段,同样计算了由畴内雪崩碰撞电离引发电流变化所辐射的电磁波的强度。其结果表明此变化亦能有较强的电磁辐射。上述结论对于光电导偶极天线产生大功率THz波的实验设计与改进有着重要的指导意义。
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