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THz | 太赫兹系统核心零部件-光电导天线

太赫兹时域光谱系统是基于太赫兹时域光谱技术而研发，在太赫兹波段进行光谱测量与光谱分析的光学系统，典型的太赫兹时域光谱系统主要由飞秒激光器、太赫兹光电导收/发天线、时间延迟控制系统、数据采集系统四部分组成。

光电导天线是常用的太赫兹发射源和探测器，目前成熟的太赫兹光电导天线有两种，一种是用中心波长约为1560 nm的飞秒激光激发的光纤耦合太赫兹光电导天线，光纤耦合式太赫兹发射器具有发射功率高、发射谱宽、性能稳定等特点被市面上广泛应用。

光电导天线由半导体衬底和与之接触的电极组成，电极结构可以有偶极子结构、锥形结构、螺旋形结构等，电极的作用一是给电极之间的半导体材料施加一个偏置电场，二是可以通过设计其结构来提高光电导天线的辐射效率。

▲ 光电导天线结构示意图

光电导天线的工作原理为一束超短激光聚焦到电极之间的半导体材料上，如果激光光子能量大于半导体衬底材料的能隙宽度，则电子就可以被激发到导带上形成电子空穴对即光生自由载流子，这些光生自由载流子在偏置电场的作用下运动，在激光穿透深度范围内形成瞬时变化的电流。由麦克斯韦方程可知，电流的变化会引起电磁场辐射。当超短激光的脉宽在亚皮秒量级或以下，并且半导体材料的载流子寿命足够短时，此电磁辐射就位于太赫兹波段，通过合理选择超快光脉冲与光电导天线的合理设计参数，最终光电导天线利用电场驱动的飞秒激光器激发的光生自由载流子产生太赫兹脉冲。

▲ 飞秒激光激发/接收太赫兹波示意图

典型的光电导天线的光导天线由半导体衬底和与之接触的电极组成，它的作用一是给电极之间的半导体材料施加一个偏置电场，二是可以通过设计其结构来提高辐射效率产生高质量的太赫兹波脉冲。将以上光电导天线进行封装后作为太赫兹时域光谱系统中的封装结构的光电导天线便于系统进行集成，有效增加了系统的稳定性与可靠性。其中凹凸镜用来聚焦激光脉冲序列，将大部分激光脉冲聚焦到光电导天线的电极上，电极两端利用外接偏压源对电极进行偏压供电，此时光电导天线正面辐射出高质量的太赫兹脉冲，通过前端超半球硅透镜对光电导天线产生的太赫兹波进行收集后辐射出来用于材料谱分析、材料成像等应用。