等离激元光电导太赫兹发射器的设计、制备与实验表征

本实验的总体目标是展示一种高效产生太赫兹辐射的方法。该方法通过在光电导太赫兹发射器中引入等离激元接触电极，同时实现高量子效率和超快器件运行。第一步是利用电子束光刻技术制备等离激元光电导发射器原型。

接下来，测量所制备的发射器原型的辐射功率，并与具有相同结构但未采用等离激元电极的传统光电导太赫兹发射器进行比较。最后一步是表征等离激元光电导太赫兹发射器原型所发射辐射的光谱特性。最终获得的结果表明，在光电导发射器中引入等离激元电极可使辐射功率和效率提高两个数量级。

该方法有助于解决传统导电太赫兹发射器（TERs）的主要局限性，即高量子效率与传统器件超快运行速度之间的权衡问题。对于导体而言，传统的光电导太赫兹发射器由集成有超快光电导体的太赫兹天线构成。

当具有太赫兹频率成分的光泵浦光束聚焦在超快光电导体上时，该天线会产生电流传导。此光束产生的光生载流子速率与光泵浦脉冲的包络成正比。在施加偏置电场的情况下，光生载流子向接触电极漂移，驱动天线并产生太赫兹辐射。

与传统的光电导太赫兹发射器相比，等离激元发射器的主要优势在于，它能够使大量光生载流子在等离激元接触电极附近聚集。这些载流子随后可在亚皮秒时间尺度内漂移到太赫兹天线中。等离激元接触电极之所以能够实现更高的载流子积累，是因为它们可将光限制在纳米尺度的器件有源区域内，并在金属接触层与光吸收半导体界面处提供极强的光场增强效应。

首先，采用电子束光刻技术制备纳米尺度的等离激元接触电极，随后进行金属沉积和剥离。接下来，利用等离子体增强化学气相沉积法沉积一层二氧化硅钝化层，并通过光学光刻和干法等离子体刻蚀在二氧化硅层中刻蚀出接触通孔。最后，采用光学光刻技术图形化天线和偏置线路，再进行金属沉积和剥离。

我实验室的研究生 Christopher Berry 将演示该光栅表征流程。在制备等离激元光栅后，必须对其进行封装和表征。这些器件被安装在一个硅透镜上，硅透镜通过铝垫圈固定，然后置于旋转支架上。

将钛宝石锁模激光器的光泵浦光束紧密聚焦到器件的有源区域。调节旋转支架，使光泵浦的电场方向垂直于等离激元光栅，以高效激发表面等离激元波。然后使用参数分析仪，同时向器件施加偏置电压并测量其产生的电流。

通过最大化器件的光电流来确保泵浦光的最佳准直和偏振。为了测量输出功率，使用光学斩波器对锁模泵浦激光器照射到器件上的光束进行调制。将热释电探测器的输出端连接至锁-in放大器。

利用光学斩波器的参考频率，使用热释电探测器测量等离激元太赫兹发射器原型的输出功率。开始光谱表征时，采用钛宝石锁模激光器输出的光束，通过分束器将其分为泵浦光束和探测光束，并使用电光调制器对泵浦光路中的光束进行调制。将泵浦光束聚焦到待测发射器的有源区域上。

为了产生太赫兹辐射，使用聚乙烯球面透镜将生成的太赫兹光束聚焦于其焦平面之前的某一点处，利用镀有氧化铟锡的玻璃滤光片将该光束与光学探针光束合并，并将一块厚度为一毫米的碲化锌晶体安装在旋转台上。将此装置置于光学光束与太赫兹光束的共同焦点位置，以调节在碲化锌晶体中相互作用的光学脉冲与太赫兹脉冲之间的时间延迟。通过使用电动线性位移台，在光学探针光路中插入一个可控的光学延迟线。

在探测光路中使用半波片，将光学探测光的偏振方向旋转至相对于太赫兹偏振方向成45度角。接着，在碲化锌晶体后使用四分之一波片，将光学光束的偏振转换为圆偏振。然后，利用沃林棱镜将圆偏振的光学光束分成两个分支。

使用连接到锁相放大器的两个平衡探测器，测量每个分支中的光束功率。用于实验控制和数据采集，将电动延迟线和锁相放大器连接到计算机，并编程以迭代方式移动电动延迟线。

暂停并读取锁相放大器的数据。此处所示为已制备和测试的传统左侧发射器与等离激元右侧发射器的示例。二者的区别在于，等离激元发射器在蝶形天线的输入端口处集成了两个纳米尺度的等离激元接触梯度结构，如右图插图所示的入射端。

将光学泵浦光紧密聚焦于每个制备的器件上，并将其位置置于阳极接触电极附近，以最大化辐射功率。同时选择每个器件的光场方向，以进一步最大化辐射功率。图中蓝色曲线表示等离激元太赫兹发射器测得的太赫兹辐射功率随光学泵浦功率的变化关系。

红色曲线对应传统发射极器件，纵轴为对数坐标。插图采用相同的颜色方案，显示光电流随光泵浦功率的变化关系。显著增强的辐射功率源于使用等离激元接触电极时产生的更高光电流水平。

此处，针对不同的偏置电压和光泵浦功率，将测得的太赫兹辐射功率与收集到的光电流进行对比作图。同样，蓝色代表等离激元发射器，红色代表传统发射器。所有数据点均拟合到同一条斜率为2的曲线上。

这证实了辐射功率与感应光电流的平方关系，并表明两个发射器在所有工作条件和天线特性上均相同。此处展示的赫兹功率增强定义为等离激元赫兹发射器与传统赫兹发射器所发射的赫兹功率之比，其随偏置电压的变化关系在不同光泵浦功率水平下呈现。在低光泵浦功率水平和30伏偏置电压下，观测到输出功率增强因子高达50。在较高的光泵浦功率水平和较高电压下，增强因子略有下降。

这可以通过载流子屏蔽效应来解释，由于等离激元光电导体产生的光电流更大，并分离出更多的电子-空穴对，因此该效应对其影响更为显著。该图显示了等离激元光电导发射器在时域中辐射的功率。测量所用的激发光源为锁模钛宝石激光器，其输出中心波长为800纳米、脉冲宽度为200飞秒、重复频率为76兆赫兹的光学脉冲。

频域中的辐射功率在 0.35 ertz 和 0.55 ertz 附近显示出峰值，这些峰值与领结天线的共振峰相关。在 0.1 太赫兹附近的峰值与由领结天线偏置线形成的偶极子天线的共振峰相关。在本视频中，我们介绍了一种新型的光电导太赫兹（rah Hz）产生技术，该技术采用等离激元接触电极结构，使光到太赫兹（rah Hz）的转换效率提高了两个数量级。

本文提出的等离激元光电导发射器在太赫兹辐射功率方面的显著提升，对于未来高灵敏度太赫兹成像光谱学与光谱分析系统具有重要价值，可广泛应用于高级化学物质识别、医学成像、生物传感、天文观测、安全检查以及材料表征等领域。