Diseño, Fabricación y Caracterización Experimental de Plasmónicos Emisores terahercios fotoconductoras

El objetivo general de este procedimiento es demostrar un método altamente eficiente para generar radiación de terahercios. Esto se logra mediante la incorporación de electrodos de contacto plasmónicos en emisores de ertz fotoconductores para permitir una alta eficiencia cuántica y un funcionamiento ultrarrápido del dispositivo simultáneamente. El primer paso es fabricar prototipos de emisores fotoconductores plasmónicos utilizando litografía por haz de electrones.

A continuación, se mide la potencia de radiación de los prototipos de emisores implementados y se compara con emisores de ertz fotoconductores convencionales idénticos sin electrodos plasmónicos. El paso final es caracterizar las propiedades espectrales de la radiación de los prototipos de emisores de ertz fotoconductores plasmónicos. Finalmente, se obtienen resultados que muestran que la incorporación de electrodos plasmónicos en un emisor fotoconductor podría mejorar la potencia y la eficiencia de la radiación en dos órdenes de magnitud.

Este método puede ayudar a abordar la principal limitación de los TER de ertz conductores convencionales, que es la compensación entre la alta eficiencia cuántica y el funcionamiento ultrarrápido de los convencionales. Para los conductores. Los emisores de ertz fotoconductores convencionales consisten en una antena de ertz integrada con un fotoconductor ultrarrápido. Terahertz.

Las corrientes eléctricas se producen para esta antena cuando un haz de bomba óptica con componentes de frecuencia de terahercios se enfoca en el fotoconductor ultrarrápido. Este haz genera fotoportadores a una velocidad proporcional a la envolvente de la bomba óptica. Con la aplicación de un campo eléctrico de polarización, los fotoportadores se desplazan hacia los electrodos de contacto, alimentando la antena y generando radiación de ertz.

La principal ventaja de los emisores de ertz termoconductores convencionales sobre los convencionales es que permiten la acumulación de un número mucho mayor de portadores fotogenerados en las proximidades de los electrodos de contacto plasmónicos. Estas portadoras pueden entonces derivar a la antena ertz dentro de una escala de tiempo de sub picosegundos. Los electrodos de contacto plasmónicos logran esta mayor acumulación de portadores porque permiten el confinamiento de la luz en las regiones activas del dispositivo a nanoescala y ofrecen una extraordinaria mejora de la luz en el contacto con el metal y la interfaz semiconductora fotoabsorbente.

Para implementar un primer patrón de emisor de herz de terror fotoconductor plasmónico, los electrodos de contacto plasmónico a nanoescala utilizan litografía de haz de electrones seguida de deposición y despegue de metal. A continuación, deposite una capa de dióxido de silicio utilizando un contacto de grabado de deposición de vapor químico mejorado con plasma a través de la capa de dióxido de silicio mediante fotolitografía óptica y grabado con plasma seco. Finalmente, modele las antenas y las líneas de polarización utilizando litografía óptica, seguida de deposición y despegue del metal.

Christopher Berry, un estudiante graduado de mi laboratorio, demostrará el procedimiento de caracterización de Rahter. Después de fabricar la clasificación plasmónica, debe empaquetarse y caracterizarse. Los dispositivos se montan en una lente de silicona que se conecta a una arandela de aluminio y luego se coloca en una montura giratoria.

Enfoque firmemente el haz de la bomba óptica de un láser bloqueado en modo de zafiro de titanio en el área activa del dispositivo. Ajuste el soporte de rotación para que el campo eléctrico de la bomba óptica sea perpendicular a las gradaciones plasmónicas para una excitación eficiente de las ondas de plasma superficiales. Ahora use el analizador paramétrico para aplicar simultáneamente un voltaje de polarización al dispositivo y medir su corriente eléctrica inducida.

Garantice la alineación y polarización óptimas de la bomba maximizando la fotocorriente del dispositivo. Para medir la potencia de salida, use un picador óptico para modular el haz del láser de bomba de modo bloqueado que incide en el dispositivo. Conecte la salida de un detector piroeléctrico a un amplificador de bloqueo.

Usando la frecuencia de referencia del picador óptico, use el detector piroeléctrico para medir la potencia de salida del prototipo de emisor plasmónico de terahercios. Comience la caracterización espectral tomando el haz de un láser bloqueado en modo zafiro de titanio y empleando un divisor de haz para dividirlo en un haz de bomba y un haz de sonda que modula el haz en la trayectoria de la bomba con un modulador electroóptico. Enfoque el haz de la bomba en el área activa del emisor bajo prueba.

Para generar radiación de terahercios, enfoque el haz de ertz generado usando una lente esférica de polietileno en un punto antes del plano focal del haz de ertz, combínelo con el haz de la sonda óptica usando un filtro de filtro de vidrio recubierto de óxido de indio y estaño monte un cristal de teluro de zinc de un milímetro de espesor en una etapa de rotación. Colóquelo en el foco combinado del haz óptico y de terahercios para variar el retardo de tiempo entre los pulsos ópticos y de terahercios que interactúan en el cristal de teluro de zinc. Inserte una línea de retardo óptico controlable en la trayectoria de la sonda óptica mediante una etapa lineal motorizada.

Utilice una placa de media onda en la trayectoria del haz de la sonda para rotar la polarización de la sonda óptica a 45 grados en relación con la dirección de polarización de Ertz. A continuación, use una placa de cuarto de onda después del cristal de teluro de zinc para convertir la polarización del haz óptico en polarización circular. A continuación, divida el haz óptico polarizado circularmente en dos ramas con un prisma wallin.

Mida la potencia del haz óptico en cada rama utilizando dos detectores balanceados conectados a un amplificador de bloqueo. Para el control de experimentos y la recopilación de datos. Conecte la línea de retardo motorizada y bloquee el amplificador a la computadora programada para mover iterativamente la línea de retardo motorizada.

Pausa y lee los datos del bloqueo. El amplificador que se muestra aquí son ejemplos de los emisores convencionales izquierdo y derecho plasmónico que se fabricaron y probaron. La diferencia es que el emisor plasmónico incorpora dos grados de contacto plasmónico a nanoescala en el puerto de entrada de la antena de pajarita, como se muestra en el recuadro a la derecha del incidente.

La bomba óptica se enfocó firmemente en cada dispositivo fabricado y se colocó cerca del electrodo de contacto del ánodo para maximizar la potencia radiada. También se eligió la orientación del campo eléctrico óptico para cada dispositivo para maximizar la potencia radiada. En azul se muestra la potencia de radiación medida de tes hercios del emisor plasmónico de terahercios en función de la potencia de la bomba óptica.

La curva roja es para la nota emisora convencional, el eje vertical es logarítmico. El recuadro utiliza el mismo esquema de color para mostrar la fotocorriente en función de la potencia de la bomba óptica. El aumento significativo de la potencia de radiación se debe a los niveles más altos de fotocorriente generados cuando se emplean electrodos de contacto plasmónicos.

Aquí, se traza la potencia de radiación de terahercios medida frente a la fotocorriente recopilada para varios voltajes de polarización y potencias de bomba óptica. De nuevo, el azul corresponde al emisor plasmónico rojo al emisor convencional. Los puntos de datos son todos curvas ajustadas a la misma línea con una pendiente de dos.

Esto confirma la dependencia cuadrática de la potencia de radiación de la fotocorriente inducida y el hecho de que todas las condiciones operativas y propiedades de la antena son las mismas para los dos emisores. La mejora de potencia de ertz definida como la relación entre la potencia de ertz emitida por el emisor de ertz plasmónico y el emisor de ertz convencional se muestra aquí en función del voltaje de polarización para diferentes niveles de potencia de la bomba óptica a niveles bajos de potencia de la bomba óptica y se observa un voltaje de polarización de 30 voltios, factores de mejora de potencia de salida de hasta 50. El factor de mejora disminuye ligeramente a niveles de potencia de bomba óptica más altos y voltajes más altos.

Esto puede explicarse por el efecto de cribado de portadores, que debería afectar más al fotoconductor plasmónico, ya que genera más fotocorriente y separa un mayor número de pares de huecos de electrones. Este gráfico muestra la potencia radiada en el dominio del tiempo desde el emisor fotoconductor plasmónico. Se midió en respuesta a un pulso óptico de 200 femtosegundos de un láser de zafiro de titanio bloqueado con una longitud de onda central de 800 nanómetros y una tasa de repetición de 76 megahercios.

La potencia radiada en el dominio de la frecuencia muestra picos alrededor de 0,35 ertz y 0,55 ertz que están asociados con los picos de resonancia de la antena de pajarita. El pico alrededor de 0,1 terahercios está asociado con el pico de resonancia de la antena dipolo formada por las líneas de polarización de la antena de pajarita. En este video, presentamos una novedosa técnica de generación de Hz rah fotoconductora que utiliza una configuración de electrodo de contacto plasmónico para mejorar la eficiencia de conversión óptica a rah Hz en dos órdenes de magnitud.

El aumento significativo en la potencia de radiación rah Hz del emisor fotoconductor plasmónico presentado es muy valioso para los futuros sistemas de espectroscopia y espectrometría de imágenes de terahercios de alta sensibilidad para la identificación química avanzada, imágenes médicas, astronomía de detección biológica, detección de seguridad y caracterización de materiales.