Projektowanie, wytwarzanie i eksperymentalna charakterystyka plazmonicznych fotoprzewodzących emiterów terahercowych

Ogólnym celem tej procedury jest zademonstrowanie wysoce wydajnej metody generowania promieniowania terahercowego. Osiąga się to poprzez włączenie plazmonicznych elektrod kontaktowych do fotoprzewodzących emiterów ertz, aby umożliwić wysoką wydajność kwantową i ultraszybką pracę urządzenia jednocześnie. Pierwszym krokiem jest wytworzenie prototypów plazmonicznych emiterów fotoprzewodzących przy użyciu litografii wiązką elektronów.

Następnie mierzona jest moc promieniowania zaimplementowanych prototypów emiterów i porównywana z identycznymi konwencjonalnymi emiterami fotoprzewodzącymi ertz bez elektrod plazmonicznych. Ostatnim krokiem jest scharakteryzowanie właściwości spektralnych promieniowania z prototypów plazmonicznych fotoprzewodzących emiterów ertz. Ostatecznie uzyskano wyniki, które pokazują, że włączenie elektrod plazmonicznych do emitera fotoprzewodzącego może zwiększyć moc i wydajność promieniowania o dwa rzędy wielkości.

Metoda ta może pomóc w rozwiązaniu głównego ograniczenia konwencjonalnych dla przewodzących ertz TER, jakim jest kompromis między wysoką wydajnością kwantową a ultraszybką pracą konwencjonalnych. Dla dyrygentów. Konwencjonalne fotoprzewodzące emitery ertz składają się z anteny ertz zintegrowanej z ultraszybkim przewodnikiem fotograficznym. W terahercach.

Prąd elektryczny jest wytwarzany dla tej anteny, gdy wiązka pompy optycznej z terahercowymi składowymi częstotliwości jest skupiona na ultraszybkim przewodniku fotograficznym. Wiązka ta generuje nośniki zdjęć z szybkością proporcjonalną do obwiedni pompy optycznej. Dzięki zastosowaniu polaryzacyjnego pola elektrycznego nośniki zdjęć dryfują w kierunku elektrod kontaktowych, zasilając antenę i generując promieniowanie ertz.

Główną zaletą emiterów plazmonicznych w porównaniu z konwencjonalnymi fotoprzewodzącymi emiterami ertz jest to, że pozwalają one na akumulację znacznie większej liczby fotogenerowanych nośników w bliskiej odległości od plazmonicznych elektrod kontaktowych. Nośniki te mogą następnie dryfować do anteny ertz w skali czasu poniżej pikosekundy. Plazmoniczne elektrody kontaktowe osiągają tę większą akumulację nośnika, ponieważ umożliwiają uwięzienie światła w obszarach aktywnych urządzenia w nanoskali i oferują niezwykłe wzmocnienie światła na styku metalu i absorbującym światło interfejsie półprzewodnikowym.

Aby zaimplementować pierwszy wzór plazmonicznego fotoprzewodnikowego emitera herza, nanoskalowe plazmoniczne elektrody kontaktowe wykorzystują litografię wiązką elektronów, a następnie osadzanie metalu i odlot. Następnie osadź warstwę dwutlenku krzemu za pomocą plazmowego chemicznego osadzania z fazy gazowej przez warstwę dwutlenku krzemu za pomocą fotolitografii optycznej i wytrawiania suchą plazmą. Na koniec ułóż wzór anten i linii polaryzacji za pomocą litografii optycznej, a następnie nałóż metal i wznieść.

Christopher Berry, doktorant z mojego laboratorium, zademonstruje procedurę charakteryzacji Ratter. Po wytworzeniu klasyfikacji plazmonicznej należy ją zapakować i scharakteryzować. Urządzenia są montowane na silikonowej soczewce, która jest przymocowana do aluminiowej podkładki, a następnie umieszczana na uchwycie obrotowym.

Mocno skoncentruj wiązkę pompy optycznej z lasera z zablokowanym laserem w trybie tytanu szafirowego na aktywnym obszarze urządzenia. Wyreguluj mocowanie obrotowe tak, aby pole elektryczne pompy optycznej było prostopadłe do stopniowania plazmonicznego w celu wydajnego wzbudzenia powierzchniowych fal plazmowych. Teraz użyj analizatora parametrycznego, aby jednocześnie przyłożyć napięcie polaryzacji do urządzenia i zmierzyć jego indukowany prąd elektryczny.

Zapewnij optymalne ustawienie i polaryzację pompy, maksymalizując prąd fototerapii urządzenia. Aby zmierzyć moc wyjściową, użyj rozdrabniacza optycznego, aby modulować wiązkę z trybu zablokowanego lasera pompy padającego na urządzenie. Podłącz wyjście detektora piroelektrycznego do wzmacniacza lock-in.

Korzystając z częstotliwości odniesienia śmigłacza optycznego, użyj detektora piroelektrycznego do pomiaru mocy wyjściowej prototypu plazmonicznego emitera terahercowego. Rozpocznij charakterystykę spektralną od pobrania wiązki z lasera z synchronizacją w trybie tytanu i zastosowania rozdzielacza wiązki do rozdzielenia jej na wiązkę pompy, a wiązka sondy moduluje wiązkę na ścieżce pompy za pomocą modulatora elektrooptycznego. Skoncentruj wiązkę pompy na obszarze aktywnym badanego emitera.

Aby wygenerować promieniowanie terahercowe, należy skupić wygenerowaną wiązkę ertz za pomocą sferycznej soczewki z polietylenu w punkcie przed płaszczyzną ogniskową wiązki ertz, połączyć ją z wiązką sondy optycznej za pomocą filtra ze szkła pokrytego tlenkiem indu i cyny, zamontuj kryształ tellurku o grubości jednego milimetra na stoliku obrotowym. Umieść go w połączonym ognisku wiązki optycznej i terahercowej, aby zmienić opóźnienie czasowe między impulsami optycznymi i terahercowymi oddziałującymi w krysztale tellurku. Wstawić kontrolowaną optyczną linię opóźniającą w ścieżce sondy optycznej za pomocą zmotoryzowanego stolika liniowego.

Użyj płytki półfalowej w ścieżce wiązki sondy, aby obrócić polaryzację sondy optycznej tak, aby znajdowała się pod kątem 45 stopni w stosunku do kierunku polaryzacji ertz. Następnie użyj płytki ćwierćfalowej za kryształem tellurku, aby przekształcić polaryzację wiązki optycznej na polaryzację kołową. Następnie podziel spolaryzowaną kołowo wiązkę optyczną na dwie gałęzie za pomocą pryzmatu Wallin.

Zmierz moc wiązki optycznej w każdej gałęzi za pomocą dwóch zbalansowanych detektorów podłączonych do wzmacniacza typu lock-in. Do kontroli eksperymentów i zbierania danych. Podłącz zmotoryzowaną linię opóźniającą i zablokuj wzmacniacz do komputera zaprogramowanego do iteracyjnego przesuwania zmotoryzowanej linii opóźniającej.

Wstrzymaj i odczytaj dane z blokady. Pokazany tutaj wzmacniacz to przykłady konwencjonalnych lewych i plazmonicznych prawych emiterów, które zostały wyprodukowane i przetestowane. Różnica polega na tym, że emiter plazmoniczny zawiera dwie nanoskalowe stopnie kontaktu plazmonicznego w porcie wejściowym anteny muszkowej, jak pokazano na wstawce po prawej stronie incydentu.

Pompa optyczna była ściśle skoncentrowana na każdym wyprodukowanym urządzeniu i umieszczona w pobliżu elektrody kontaktowej anody, aby zmaksymalizować moc promieniowania. Orientacja optycznego pola elektrycznego dla każdego urządzenia została również dobrana tak, aby zmaksymalizować moc promieniowania. Na niebiesko pokazana jest zmierzona moc promieniowania w hercach z plazmonicznego emitera terahercowego w funkcji mocy pompy optycznej.

Czerwona krzywa dotyczy konwencjonalnej nuty emitera, oś pionowa jest logarytmiczna. Wstawka wykorzystuje ten sam schemat kolorów, aby pokazać prąd fotograficzny w funkcji mocy pompy optycznej. Znaczne zwiększenie mocy promieniowania wynika z wyższych poziomów prądu fotologicznego generowanego przy zastosowaniu plazmonicznych elektrod kontaktowych.

Tutaj zmierzona moc promieniowania terahercowego jest wykreślana w stosunku do zebranego prądu fotologicznego dla różnych napięć polaryzacji i mocy pomp optycznych. Ponownie, niebieski odpowiada emiterowi plazmonicznemu, czerwony emiterowi konwencjonalnemu. Wszystkie punkty danych są krzywą dopasowaną do tej samej linii o nachyleniu równym dwa.

Potwierdza to kwadratową zależność mocy promieniowania od indukowanego prądu fotologicznego oraz fakt, że wszystkie warunki pracy i właściwości anteny są takie same dla obu emiterów. Zwiększenie mocy ertz zdefiniowane jako stosunek mocy ertz emitowanej przez plazmoniczny emiter ertz do konwencjonalnego emitera ertz jest tutaj pokazane jako funkcja napięcia polaryzacji dla różnych poziomów mocy pompy optycznej przy niskich poziomach mocy pompy optycznej i obserwuje się napięcie polaryzacji 30 woltów, współczynniki zwiększenia mocy wyjściowej do 50. Współczynnik wzmocnienia nieznacznie spada przy wyższych poziomach mocy pompy optycznej i wyższych napięciach.

Można to wytłumaczyć efektem ekranowania nośnej, który powinien bardziej wpływać na plazmoniczny fotoprzewodnik, ponieważ generuje on więcej prądu fotologicznego i oddziela większą liczbę par elektronowych. Wykres ten pokazuje moc wypromieniowaną w dziedzinie czasu z plazmonicznego emitera fotoprzewodzącego. Został on zmierzony w odpowiedzi na 200-sekundowy impuls optyczny z laserowego tytanowo-szafirowego lasera o synchronizowanej długości fali 800 nanometrów i częstotliwości powtarzania 76 megaherców.

Moc promieniowana w dziedzinie częstotliwości wykazuje piki około 0,35 ertz i 0,55 ertz, które są związane ze szczytami rezonansowymi anteny muszkowej. Szczyt około 0,1 teraherca jest związany ze szczytem rezonansowym anteny dipolowej utworzonej przez linie polaryzacji anteny dziobowej. W tym filmie prezentujemy nowatorską technikę generowania fotoprzewodników rah Hz, która wykorzystuje konfigurację plazmonicznej elektrody kontaktowej w celu zwiększenia wydajności konwersji optycznej na rah Hz o dwa rzędy wielkości.

Znaczny wzrost mocy promieniowania rah Hz z prezentowanego plazmonicznego emitera fotoprzewodzącego jest bardzo cenny dla przyszłych systemów spektroskopii i spektrometrii obrazowania terahercowego o wysokiej czułości do zaawansowanej identyfikacji chemicznej, obrazowania medycznego, astronomii z czujnikami biologicznymi, badań przesiewowych bezpieczeństwa i charakteryzacji materiałów.