论文部分内容阅读
近十年来,高温超导Bi2Sr2CaCu208+δ(BSCCO)太赫兹辐射源作为一种新型的固态太赫兹源而受到广泛的关注,其具有辐射功率大、频率连续可调、频率覆盖范围广、体积小、功耗低等优点,被认为是解决亚毫米波频段范围“太赫兹空白”的理想太赫兹辐射源之一。本论文主要从性能提升和应用方面的创新对高温超导太赫兹辐射源开展了相关研究,主要的研究成果为:1.in-line结构的BSCCO太赫兹源。我们研究了 BSCCO太赫兹源的辐射性能与结的数量、尺寸及自热等因素的关系,提出了可以提高辐射性能的in-line结构BSCCO结阵的制备方法。该制备方法仅需要一次光刻工艺即可实现双面结样品的制备,提高了样品的制备效率,而且制备的样品具有辐射功率大、器件散热性好、频率可调范围广等优点。因此,该制备方法的提出有利于提升BSCCO太赫兹辐射源的性能。2.BSCCO太赫兹源辐射频率的扩展,实现的最低频率为0.108THz,最高频率可达2.09THz,同时把液氮温区的太赫兹辐射频率提高到0.5THz以上。在低频方面,我们研究了谐振腔尺寸和辐射频率的关系,设计并制备了大尺寸的方形BSCCO结阵,检测到最低频率可达0.108THz的太赫兹波,这也是BSCCO太赫兹源的最低辐射频率。在高频方面,我们分别研究了结阵的自热和单晶的超导临界电流密度(Jc)与辐射频率的关系,提出了使用过掺杂BSCCO单晶来制备in-line结构的BSCCO结阵,并设计了可以实现双面导热的夹层结构,实现了工作温度高达86K和最大辐射频率超过2THz的BSCCO太赫兹辐射源。值得注意的是:在80K时,我们检测到频率高达0.577THz的太赫兹辐射,这也是BSCCO源在液氮温区的最高辐射频率,对超导太赫兹辐射源在液氮温区的应用具有非常重要的意义。3.BSCCO太赫兹源辐射功率的提升。BSCCO结阵的尺寸和结的数量的增加可以提高辐射功率,通过样品的结构创新,我们设计并制备了 in-line结构的方形BSCCO结阵,实现了最大辐射功率可达94μW的太赫兹辐射。同时,为了增强in-line结构样品的太赫兹辐射耦合效果,我们在样品顶部增加了一层金膜反射层,其可以把辐射的太赫兹波反射到光路的方向。实验结果表明,金膜反射层的增加可以明显提升BSCCO结阵的辐射功率,检测到的最大辐射功率可达123μW,首次把单个结阵的辐射功率提高到100μW以上。4.成功利用频率可调的BSCCO太赫兹源实现了对气体太赫兹吸收光谱的检测。基于BSCCO太赫兹源,我们搭建了一套简单、实用的太赫兹气体检测系统。利用约瑟夫森关系,通过扫描BSCCO结阵的偏置电压,我们得到不同压强的氨气和水蒸气的太赫兹吸收光谱,吸收峰的线宽可达1GHz,首次实现了利用本征约瑟夫森结阵对气体的检测。作为对比,利用更稳定的测试系统和超导集成接收机(SIR),我们在气体压强低于0.1mbar时观察到吸收线宽最低可达5MHz的太赫兹吸收峰,达到痕量气体检测的水平,说明超导太赫兹辐射源在环境检测领域具有很大的潜在应用价值。