Projeto, fabricação e Experimental Caracterização de plasmônicos Emissores Terahertz Photoconductive

O objetivo geral deste procedimento é demonstrar um método altamente eficiente para gerar radiação terahertz. Isso é feito incorporando eletrodos de contato plasmônicos em emissores ertz fotocondutores para permitir alta eficiência quântica e operação ultrarrápida do dispositivo simultaneamente. O primeiro passo é fabricar protótipos de emissores fotocondutores plasmônicos usando litografia por feixe de elétrons.

Em seguida, a potência de radiação dos protótipos de emissores implementados é medida e comparada com emissores ertz fotocondutores convencionais idênticos sem eletrodos plasmônicos. A etapa final é caracterizar as propriedades espectrais da radiação a partir de protótipos de emissores de ertz fotocondutores plasmônicos. Em última análise, são obtidos resultados que mostram que a incorporação de eletrodos plasmônicos em um emissor fotocondutor pode aumentar a potência e a eficiência da radiação em duas ordens de magnitude.

Este método pode ajudar a resolver a principal limitação do convencional para os TERs ertz condutivos, que é a compensação entre alta eficiência quântica e operação ultrarrápida do convencional. Para os condutores. Os emissores ertz fotocondutores convencionais consistem em uma antena ertz integrada a um fotocondutor ultrarrápido. Terahertz.

As correntes elétricas são produzidas para esta antena quando um feixe de bomba óptica com componentes de frequência terahertz é focado no fotocondutor ultrarrápido. Este feixe gera portadores de fotos a uma taxa proporcional ao envelope da bomba óptica. Com a aplicação de um campo elétrico de polarização, os portadores de fotos se deslocam em direção aos eletrodos de contato, alimentando a antena e gerando radiação ertz.

A principal vantagem dos emissores de ertz fotocondutores plasmônicos sobre os convencionais é que eles permitem o acúmulo de um número muito maior de portadores fotogerados nas proximidades dos eletrodos de contato plasmônicos. Essas portadoras podem então derivar para a antena ertz dentro de uma escala de tempo abaixo de picossegundos. Os eletrodos de contato plasmônicos alcançam esse maior acúmulo de portadores porque permitem o confinamento da luz em regiões ativas do dispositivo em nanoescala e oferecem um aprimoramento extraordinário da luz na interface semicondutora de contato e fotoabsorção de metal.

Para implementar um primeiro padrão de emissor de herz de terror condutivo fotográfico plasmônico, os eletrodos de contato plasmônicos em nanoescala usando litografia de feixe de elétrons seguida de deposição e decolagem de metal. Em seguida, deposite uma camada de dióxido de silício usando contato de deposição de vapor químico aprimorado por plasma através da camada de dióxido de silício usando fotolitografia óptica e gravação de plasma seco. Finalmente, padronize as antenas e linhas de polarização usando litografia óptica, seguida de deposição de metal e decolagem.

Christopher Berry, um estudante de pós-graduação do meu laboratório, demonstrará o procedimento de caracterização do rahter. Depois de fabricar a classificação plasmônica, ela deve ser embalada e caracterizada. Os dispositivos são montados em uma lente de silicone que é conectada a uma arruela de alumínio e, em seguida, colocada em um suporte de rotação.

Concentre firmemente o feixe da bomba óptica de um laser bloqueado no modo safira de titânio na área ativa do dispositivo. Ajuste o suporte de rotação para que o campo elétrico da bomba óptica seja perpendicular às gradações plasmônicas para excitação eficiente das ondas de plasma de superfície. Agora use o analisador paramétrico para aplicar simultaneamente uma tensão de polarização ao dispositivo e medir sua corrente elétrica induzida.

Garanta o alinhamento e a polarização ideais da bomba, maximizando a fotocorrente do dispositivo. Para medir a potência de saída, use um helicóptero óptico para modular o feixe do incidente do laser da bomba bloqueada no dispositivo. Conecte a saída de um detector piroelétrico a um amplificador de bloqueio.

Usando a frequência de referência do helicóptero óptico, use o detector piroelétrico para medir a potência de saída do protótipo do emissor de terahertz plasmônico. Comece a caracterização espectral pegando o feixe de um laser bloqueado no modo safira de titânio e empregando um divisor de feixe para dividi-lo em um feixe de bomba e um feixe de sonda modula o feixe no caminho da bomba com um modulador eletro-óptico. Focalize o feixe da bomba na área ativa do emissor em teste.

Para gerar radiação terahertz, focalize o feixe ertz gerado usando uma lente esférica de polietileno em um ponto antes do plano focal do feixe ertz, combine-o com o feixe de sonda óptica usando um filtro de vidro revestido de óxido de índio e estanho, monte um cristal de telureto de zinco de um milímetro de espessura em um estágio de rotação. Coloque-o no foco combinado do feixe óptico e terahertz para variar o atraso de tempo entre os pulsos ópticos e terahertz que interagem no cristal de telureto de zinco. Insira uma linha de atraso óptico controlável no caminho da sonda óptica usando um estágio linear motorizado.

Use uma placa de meia onda no caminho do feixe da sonda para girar a polarização da sonda óptica para estar a 45 graus em relação à direção de polarização ertz. Em seguida, use uma placa de quarto de onda após o cristal de telureto de zinco para converter a polarização do feixe óptico em polarização circular. Em seguida, divida o feixe óptico polarizado circularmente em duas ramificações com um prisma de wallin.

Meça a potência do feixe óptico em cada ramificação usando dois detectores balanceados conectados a um amplificador de bloqueio. Para controle de experimentos e coleta de dados. Conecte a linha de atraso motorizada e trave o amplificador ao computador programado para mover iterativamente a linha de atraso motorizada.

Pause e leia os dados do bloqueio. O amplificador mostrado aqui são exemplos dos emissores convencionais esquerdo e plasmônico direito que foram fabricados e testados. A diferença é que o emissor plasmônico incorpora duas gradações de contato plasmônico em nanoescala na porta de entrada da antena de gravata borboleta, conforme mostrado na inserção à direita do incidente.

A bomba óptica foi fortemente focada em cada dispositivo fabricado e posicionada perto do eletrodo de contato do ânodo para maximizar a potência irradiada. A orientação do campo elétrico óptico para cada dispositivo também foi escolhida para maximizar a potência irradiada. Mostrada em azul é a potência de radiação te hertz medida do emissor de terahertz plasmônico em função da potência da bomba óptica.

A curva vermelha é para a nota do emissor convencional, o eixo vertical é logarítmico. A inserção usa o mesmo esquema de cores para mostrar a corrente da foto em função da potência da bomba óptica. O aumento significativo da potência de radiação se deve aos níveis mais altos de fotocorrente gerados ao empregar eletrodos de contato plasmônicos.

Aqui, a potência de radiação terahertz medida é plotada em comparação com a corrente fotográfica coletada para várias tensões de polarização e potências da bomba óptica. Novamente, o azul corresponde ao emissor plasmônico vermelho ao emissor convencional. Os pontos de dados são todos curvados ajustados à mesma linha com uma inclinação de dois.

Isso confirma a dependência quadrática da potência de radiação da fotocorrente induzida e o fato de que todas as condições operacionais e propriedades da antena são as mesmas para os dois emissores. O aumento de potência ertz definido como a razão entre a potência ertz emitida pelo emissor ertz plasmônico e o emissor ertz convencional é mostrado aqui como uma função da tensão de polarização para diferentes níveis de potência da bomba óptica em baixos níveis de potência da bomba óptica e uma tensão de polarização de 30 volts, fatores de aumento de potência de saída de até 50 são observados. O fator de aprimoramento diminui ligeiramente em níveis de potência da bomba óptica mais altos e tensões mais altas.

Isso pode ser explicado pelo efeito de triagem da portadora, que deve afetar mais o fotocondutor plasmônico, pois está gerando mais fotocorrente e separando um número maior de pares de buracos de elétrons. Este gráfico mostra a potência irradiada no domínio do tempo do emissor fotocondutor plasmônico. Foi medido em resposta a um pulso óptico de 200 femtossegundos de um laser de safira de titânio bloqueado por modo com comprimento de onda central de 800 nanômetros e taxa de repetição de 76 megahertz.

A potência irradiada no domínio da frequência mostra picos em torno de 0,35 ertz e 0,55 ertz que estão associados aos picos de ressonância da antena de gravata borboleta. O pico em torno de 0,1 terahertz está associado ao pico de ressonância da antena dipolo formada pelas linhas de polarização da antena de gravata borboleta. Neste vídeo, apresentamos uma nova técnica de geração de rah Hz fotocondutora que usa uma configuração de eletrodo de contato plasmônico para aumentar a eficiência de conversão óptica para rah Hz em duas ordens de magnitude.

O aumento significativo na potência de radiação rah Hz do emissor fotocondutor plasmônico apresentado é muito valioso para futuros sistemas de espectroscopia e espectrometria de imagem terahertz de alta sensibilidade para identificação química avançada, imagens médicas, astronomia de sensoriamento biológico, triagem de segurança e caracterização de materiais.