一种脉冲太赫兹源及其制造方法与流程

本发明实施例涉及光电子技术领域，具体涉及一种脉冲太赫兹源及其制造方法。

背景技术：

太赫兹(thz)电磁波的频率范围为0.1～10thz，波长范围为0.03～3mm，它是一种介于微波、毫米波与红外线之间的电磁波。太赫兹辐射在物理、化学、天文学、分子光谱、生命科学和医药科学等基础领域，以及医学成像、环境监测、材料检测、食品检测、射电天文、移动通讯、卫星通信和军用雷达等应用研究领域有重大的科学研究价值和广阔的应用前景。

现有技术中，脉冲太赫兹源主要是基于光电导天线，光电导天线包含两个沉积在半导体衬底上的金属电极，在两个电极之间加载偏压。光子能量大于半导体带隙的飞秒光学脉冲在电极之间的空隙产生自由电子和空穴对，静态偏置场加速自由载流子，电荷密度主要通过在载流子寿命时间尺度上俘获缺陷位置的载流子而下降，自由载流子的加速和衰减引起的脉冲电流是电磁辐射亚皮秒脉冲的来源。光电导天线的输出功率取决于偏置电压和光泵浦功率，但是由于电极之间的击穿效应以及光导材料的光饱和效应的存在，光电导天线的输出功率在微瓦量级，对于长距离传输与探测应用，脉冲太赫兹源的辐射功率显然不足。

因此，如何提出一种脉冲太赫兹源，能够提高太赫兹辐射源的功率成为业界亟待解决的重要课题。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明实施例提供一种脉冲太赫兹源及其制造方法。

一方面，本发明实施例提出一种脉冲太赫兹源，包括天线、真空通道层和光阴极，其中：

所述天线包括衬底、馈电带和天线臂，所述馈电带和所述天线臂相连，所述馈电带和所述天线臂设置在所述衬底上，所述真空通道层包括至少一个聚焦电极和多个绝缘材料层，在所述真空通道层设置真空通道，所述真空通道贯穿所述至少一个聚焦电极和所述多个绝缘材料层，所述光阴极和所述馈电带设置在所述真空通道的两端，相邻两个所述聚焦电极之间设置一个所述绝缘材料层，所述光阴极与相邻的所述聚焦电极之间设置一个所述绝缘材料层，所述馈电带与相邻的所述聚焦电极之间设置一个所述绝缘材料层，所述光阴极、所述真空通道层和所述馈电带之间形成密封腔，在所述光阴极与所述真空通道相对的一侧设置光阴极基底。

其中，所述馈电带与所述光阴极之间的距离小于或者等于10微米，且所述真空通道层包括一个所述聚焦电极和两个所述绝缘材料层。

其中，所述馈电带与所述光阴极之间的距离大于10微米，且所述真空通道层包括多个所述聚焦电极。

其中，所述天线臂有两个，对称设置在所述馈电带的两侧。

其中，所述天线臂呈梯形。

其中，所述天线臂包括连接部和天线部，所述连接部呈矩形，所述天线部呈梯形，所述连接部将所述天线部与所述馈电带相连。

其中，所述天线臂呈蝶形，设置在所述馈电带的一侧。

其中，所述天线臂包括第一天线部和第二天线部，所述第一天线部和所述第二天线部对称设置，所述第一天线部和所述第二天线部呈三角形。

其中，所述天线臂包括第一天线、第二天线和连接件，所述连接件连接所述第一天线和所述第二天线，所述第一天线和所述第二天线对称设置在所述连接件的两侧，所述连接件与所述馈电带相连。

其中，所述脉冲太赫兹源还包括光波导和挡光层，所述光波导与所述光阴极基底相贴合，所述光波导与所述光阴极基底相对的一侧设置所述挡光层。

另一方面，本发明实施例提供一种上述任一实施例所述的脉冲太赫兹源的制造方法，包括：

在衬底上制作天线的馈电带和天线臂；其中，所述衬底为非感光衬底；

在所述馈电带上形成真空通道层，所述真空通道层包括至少一个聚焦电极和多个绝缘材料层，相邻两个所述聚焦电极之间设置一个所述绝缘材料层，所述光阴极与相邻的所述聚焦电极之间设置一个所述绝缘材料层，所述馈电带与相邻的所述聚焦电极之间设置一个所述绝缘材料层；

在所述真空通道层刻蚀出真空通道；

在透光基底材料层上形成光阴极；

将所述真空通道层与所述光阴极进行拼接。

其中，所述方法还包括：

在所述透光基底材料层上形成光波导；

在所述光波导上形成挡光层。

本发明实施例提供的脉冲太赫兹源及其制造方法，包括天线、真空通道层和光阴极，天线包括衬底、馈电带和天线臂，馈电带和天线臂相连，馈电带和天线臂设置在衬底上，真空通道层包括至少一个聚焦电极和多个绝缘材料层，在真空通道层设置真空通道，真空通道贯穿所有的聚焦电极和绝缘材料层，光阴极和馈电带设置在真空通道的两端，相邻两个聚焦电极之间设置一个绝缘材料层，光阴极与相邻的聚焦电极之间设置一个绝缘材料层，馈电带与相邻的聚焦电极之间设置一个绝缘材料层，光阴极、真空通道层和馈电带之间形成密封腔，在光阴极与真空通道相对的一侧设置光阴极基底，由于太赫兹载流子的产生与运动在真空通道中实现，能够提高太赫兹脉冲电流的密度和大小，从而提高了脉冲太赫兹源的功率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一实施例提供的脉冲太赫兹源的结构示意图；

图2为本发明第二实施例提供的脉冲太赫兹源的天线结构示意图；

图3为本发明第三实施例提供的脉冲太赫兹源的结构示意图；

图4为本发明第四实施例提供的脉冲太赫兹源的天线结构示意图；

图5为本发明第五实施例提供的脉冲太赫兹源的天线结构示意图；

图6a为本发明第六实施例提供的脉冲太赫兹源的天线结构示意图；

图6b为本发明第七实施例提供的脉冲太赫兹源的天线结构示意图；

图7为本发明第八实施例提供的脉冲太赫兹源的天线结构示意图；

图8为本发明第九实施例提供的脉冲太赫兹源的结构示意图；

图9为本发明第十实施例提供的脉冲太赫兹源的制造方法的流程示意图；

图10为本发明第十一实施例提供的脉冲太赫兹源的制造方法的流程示意图；

图11a是本发明第十二实施例提供的天线制造示意图；

图11b是本发明第十二实施例提供的真空通道层制造示意图；

图11c是本发明第十二实施例提供的真空通道制造示意图；

图11d是本发明第十二实施例提供的光阴极制造示意图；

图11e是本发明第十二实施例提供的真空通道层与光阴极的拼接示意图；

附图标记说明：

1-衬底；2-馈电带；

3-天线臂；4-绝缘材料层；

5-聚焦电极；6-真空通道层；

7-真空通道；8-光阴极；

9-光阴极基底；10-光波导；

11-挡光层；31-连接部；

32-天线部；51-第一天线部；

52-第二天线部；53-连接部；

61-第一天线；62-第二天线；

63-连接件；111-衬底；

112-馈电带；113-天线臂；

114-绝缘材料层；115-聚焦电极；

116-真空通道层；117-真空通道；

118-光阴极；119-光阴极基底。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明第一实施例提供的脉冲太赫兹源的结构示意图，图2为本发明第二实施例提供的脉冲太赫兹源的天线结构示意图，如图1和图2所示，本发明实施例提供的脉冲太赫兹源，包括天线、真空通道层6和光阴极8，其中：

所述天线包括衬底1、馈电带2和天线臂3，馈电带2和天线臂3相连，馈电带2和天线臂3设置在衬底1上，真空通道层6包括至少一个聚焦电极5和多个绝缘材料层4，在真空通道层6设置真空通道7，真空通道7贯穿所有的聚焦电极5和绝缘材料层4，光阴极8和馈电带2设置在真空通道7的两端，相邻两个聚焦电极5之间设置一个绝缘材料层4，光阴极8与相邻的聚焦电极5之间设置一个绝缘材料层4，馈电带2与相邻的聚焦电极5之间设置一个绝缘材料层4，，光阴极8、真空通道层6和馈电带2之间形成密封腔，在光阴极8与真空通道层6相对的一侧设置光阴极基底9。

具体地，衬底1采用可以透太赫兹电磁波的非光感材料，例如蓝宝石和玻璃等，厚度为0.5～5毫米。馈电带2可以采用电导率较高的金属，例如铝。天线臂3可以采用电导率较高的金属，例如铝。馈电带2与相邻的聚焦电极5之间设置的绝缘材料层4的厚度为1.5～3微米。聚焦电极5可以采用氮化钛或者石墨烯，聚焦电极5的厚度为200～1000纳米。光阴极8与相邻的聚焦电极5之间设置的绝缘材料层4的厚度为3～7微米。光阴极8的厚度为100纳米左右，光阴极8可以采用金属光阴极、负电子亲和势光阴极或者正电子亲和势光阴极。所述密封腔为真空，真空通道7可以采用圆台形、圆柱形、长方体形、正方体形、棱台形等，真空通道7贯穿所有的绝缘材料层4、和聚焦电极5。光阴极基底9可以采用玻璃、蓝宝石等透光材料，光阴极基底9用于支撑光阴极8。其中，馈电带2和天线臂3的厚度根据实际经验进行设置，本发明实施例不做限定；相邻两个聚焦电极5之间设置的绝缘材料层4的厚度根据实际需要进行设置，本发明实施例不做限定。

在超快激光器的照射下，激发所述脉冲太赫兹源的光阴极8发射太赫兹脉冲电子束团，太赫兹脉冲电子束团通过真空通道7传输到馈电带2，上述太赫兹脉冲电子束团馈电到馈电带2上即可产生脉冲太赫兹辐射。当真空通道7的长度达到毫米量级时，可以在聚焦电极5加载负电位，对太赫兹脉冲电子束团进行压缩聚焦。本发明实施例提供的脉冲太赫兹源，能够产生较高密度的太赫兹脉冲电子束团，继而将此太赫兹脉冲信号馈电到天线上，从而实现毫瓦～瓦量级的太赫兹辐射输出。

本发明实施例提供的脉冲太赫兹源，包括天线、真空通道层和光阴极，天线包括衬底、馈电带和天线臂，馈电带和天线臂相连，馈电带和天线臂设置在衬底上，真空通道层包括至少一个聚焦电极和多个绝缘材料层，在真空通道层设置真空通道，真空通道贯穿所有的聚焦电极和绝缘材料层，光阴极和馈电带设置在真空通道的两端，相邻两个聚焦电极之间设置一个绝缘材料层，光阴极与相邻的聚焦电极之间设置一个绝缘材料层，馈电带与相邻的聚焦电极之间设置一个绝缘材料层，光阴极、真空通道层和馈电带之间形成密封腔，在光阴极与真空通道相对的一侧设置光阴极基底，由于太赫兹载流子的产生与运动在真空通道中实现，能够提高太赫兹脉冲电流的密度和大小，从而提高了脉冲太赫兹源的功率。

图3为本发明第三实施例提供的脉冲太赫兹源的结构示意图，如图3所示，在上述各实施例的基础上，进一步地，馈电带2与光阴极8之间的距离小于或者等于10微米，且真空通道层6包括一个聚焦电极5和两个绝缘材料层4。其中，聚焦电极5与馈电带2之间设置一个绝缘材料层4，聚焦电极5与光阴极8之间设置一个绝缘材料层4，真空通道7贯穿聚焦电极5和两个绝缘材料层4。

如图1所示，在上述各实施例的基础上，进一步地，馈电带2与光阴极8之间的距离大于10微米，且真空通道层6包括多个聚焦电极5。

如图2所示，天线臂3有两个，对称设置在馈电带2的两侧。

如图2所示，天线臂3呈梯形。

图4为本发明第四实施例提供的脉冲太赫兹源的天线结构示意图，如图4所示，天线臂3包括连接部31和天线部32，天线部32呈梯形，连接部31将天线部32与馈电带2相连。

图5为本发明第五实施例提供的脉冲太赫兹源的天线结构示意图，如图5所示，天线臂3呈蝶形，设置在馈电带2的一侧。

图6a为本发明第六实施例提供的脉冲太赫兹源的天线结构示意图，如图6a所示，天线臂3包括第一天线部51、第二天线部52和连接部53，第一天线部51和第二天线部52对称设置，第一天线部51和第二天线部52呈三角形，连接部53将第一天线部51和第二天线部52与馈电带2相连，第一天线部51和第二天线部52之间的夹角β根据实际需要进行设置，本发明实施例不做限定。

例如，图6b为本发明第七实施例提供的脉冲太赫兹源的天线结构示意图，如图6b所示，l为第一天线部51和第二天线部52的对称线，第一天线部51的轴线p1和第二天线部52的轴线p2关于l对称，p1与l之间的夹角α1等于p2与l之间的夹角α2，α1和α2的大小根据实际需要进行设置，本发明实施例不做限定。

图7为本发明第八实施例提供的脉冲太赫兹源的天线结构示意图，如图7所示，天线臂3包括第一天线61、第二天线62和连接件63，连接件63连接第一天线61和第二天线62，第一天线61和第二天线62对称设置在连接件63的两侧，连接件63与馈电带2相连。

图8为本发明第九实施例提供的脉冲太赫兹源的结构示意图，如图8所示，在上述各实施例的基础上，进一步地，本发明实施例提供的脉冲太赫兹源还包括光波导10和挡光层11，光波导10与光阴极基底9相贴合，光波导10用于传输光束，将所述光束透过光阴极基底9照射到光阴极8上，激发光阴极8产生太赫兹光脉冲电子束团，光波导10与光阴极基底9相对的一侧设置挡光层11，挡光层11用于避免可见光等其他光源对所述脉冲太赫兹源产生干扰。

图9为本发明第十实施例提供的脉冲太赫兹源的制造方法的流程示意图，如图9所示，本发明实施例提供的上述任一实施例所述的脉冲太赫兹源的制造方法，包括：

s901、在衬底上制作天线的馈电带和天线臂；其中，所述衬底为非感光衬底；

具体地，在制造脉冲太赫兹源时，可以利用化学气相淀积工艺或者物理气相淀积工艺在衬底上制作出天线的馈电带和天线臂，所述馈电带可以采用铝等电导率较高的金属。所述天线臂可以采用金属、合金或者其他具有导电性能的材料，所述天线臂可以设置在所述馈电带的两侧，也可以设置在所述馈电带的一侧。所述衬底可以采用蓝宝石或者玻璃等非感光材料，所述衬底的厚度为0.5～5毫米。其中，所述馈电带和所述天线臂的厚度根据实际经验进行设置，本发明实施例不做限定。

s902、在所述馈电带上形成真空通道层，所述真空通道层包括至少一个聚焦电极和多个绝缘材料层，相邻两个所述聚焦电极之间设置一个所述绝缘材料层，所述光阴极与相邻的所述聚焦电极之间设置一个所述绝缘材料层，所述馈电带与相邻的所述聚焦电极之间设置一个所述绝缘材料层；

具体地，在所述衬底上制作出所述天线之后，利用化学气相淀积工艺或者物理气相淀积工艺在所述馈电带上分别沉积多个绝缘材料层，并沉积至少一层电极材料作为聚焦电极，形成真空通道层。所述多个绝缘材料层和所述至少一个聚焦电极相间排列，相邻两个所述聚焦电极之间设置一个所述绝缘材料层，所述光阴极与相邻的所述聚焦电极之间设置一个所述绝缘材料层，所述馈电带与相邻的所述聚焦电极之间设置一个所述绝缘材料层。其中，所述聚焦电极的厚度可以为0.2～1微米，所述聚焦电极可以采用氮化钛、石墨烯等高导电率的材料；所述馈电带与相邻的所述聚焦电极之间的绝缘材料层的厚度可以为1.5～3微米，所述光阴极与相邻的所述聚焦电极之间的绝缘材料层的厚度可以为3～7微米；相邻两个所述聚焦电极之间设置的绝缘材料层的厚度根据实际经验进行设置，本发明实施例不做限定。

s903、在所述真空通道层刻蚀出真空通道；

具体地，在获得所述真空通道层之后，可以采用干法刻蚀的方式，对所述多个绝缘材料层和所述至少一个聚焦电极进行刻蚀，获得真空通道，所述真空通道的形状可以是圆柱形，圆台形，长方体形或者棱台形，所述真空通道的长度与所述真空通道层的厚度相等，即所述真空通道贯穿所述真空通道层。所述真空通道层的外形可以呈圆柱形、梯形等外形。

s904、在透光基底材料层上形成光阴极；

具体地，所述光阴极的厚度为100纳米左右，非常薄，需要有一个支撑所述光阴极的基底，在光阴极制作台的真空腔室中，在透光基底材料层上沉积形成所述光阴极，将所述透光基底材料层作为光阴极基底。其中，所述透光基底材料层可以采用蓝宝石等透光材料；所述透光基底材料层的厚度根据实际需要进行设置，本发明实施例不做限定。

s905、将所述真空通道层与所述光阴极进行拼接。

具体地，在制作完所述光阴极之后，在所述光阴极制作台的另一个真空腔室将所述真空通道层与所述光阴极进行拼接，使所述光阴极、所述真空通道层和所述馈电带之间形成真空的密封腔，制造出所述脉冲太赫兹源。其中，所述第二绝缘层与所述光阴极相接触。

本发明实施例提供的脉冲太赫兹源的制造方法，在衬底上制作天线的馈电带和天线臂，在馈电带上形成真空通道层，真空通道层包括至少一个聚焦电极和多个绝缘材料层，相邻两个聚焦电极之间设置一个绝缘材料层，光阴极与相邻的聚焦电极之间设置一个绝缘材料层，馈电带与相邻的聚焦电极之间设置一个绝缘材料层，在透光基底材料层上形成光阴极，将真空通道层与光阴极进行拼接，完成脉冲太赫兹源的制造，由于太赫兹载流子的产生与运动在真空通道中实现，能够提高太赫兹脉冲电流的密度和大小，从而提高了脉冲太赫兹源的功率。

图10为本发明第十一实施例提供的脉冲太赫兹源的制造方法的流程示意图，如图10所示，本发明实施例提供的脉冲太赫兹源的制造方法还包括：

s906、在所述透光基底材料层上形成光波导；

具体地，为了方便将光束透过光阴极基底传输到光阴极上，可以利用化学气相淀积工艺或者物理气相淀积工艺在所述透光基底材料层上制作出光波导，所述光波导可以采用石英玻璃。其中，所述光波导的厚度根据实际需要进行设置，本发明实施例不做限定。

s907、在所述光波导上形成挡光层。

具体地，为了避免可见光等光源对所述太赫兹辐射源产生干扰，在可以利用化学气相淀积工艺或者物理气相淀积工艺在所述光波导上制作挡光层，所述挡光层可以采用二氧化硅。其中，所述挡光层的厚度根据实际需要进行设置，本发明实施例不做限定。

下面以采用本发明实施例提供的脉冲太赫兹源的制造方法制造一个脉冲太赫兹源的过程为例，来详细说明本发明实施例提供的脉冲太赫兹源的制造方法的实现过程：

图11a是本发明第十二实施例提供的阳极制造示意图，如图11a所示，利用化学气相淀积工艺在1毫米厚的衬底111上制作出厚度为500纳米的馈电带112和厚度为400纳米的天线臂113，衬底111采用蓝宝石，馈电带112和天线臂113采用金属铝。其中，天线臂113有两个，对称设置在馈电带112的两侧，天线臂113呈梯形，如图2所示。

图11b是本发明第十二实施例提供的真空通道层制造示意图，如图11b所示，利用化学气相淀积工艺在馈电带112上分别沉积两个绝缘材料层114和一层电极材料作为聚焦电极115，即在所述馈电带112沉积一个绝缘材料层114，然后在已经沉积的绝缘材料层114上沉积聚焦电极115，再在聚焦电极115上沉积绝缘材料层114，形成真空通道层116。沉积在馈电带112上的绝缘材料层114的厚度为2微米，聚焦电极115的厚度为500纳米，聚焦电极115采用石墨烯，沉积在聚焦电极115上的绝缘材料层114的厚度为5微米，真空通道层的厚度为7.5微米。

图11c是本发明第十二实施例提供的真空通道制造示意图，如图11c所示，采用干法刻蚀的方式对真空通道层116进行刻蚀，刻蚀出真空通道117，真空通道117贯穿真空通道层116。真空通道117呈圆台形，真空通道117靠近馈电带112的一侧的开口大于另一侧的开口。

图11d是本发明第十二实施例提供的光阴极制造示意图，如图11d所示，在光阴极制作台的真空腔室中，在1毫米厚的透光基底材料层119上沉积形成100纳米厚的光阴极118，光阴极118为金属光阴极，透光基底材料层119采用蓝宝石。

图11e是本发明第十二实施例提供的真空通道层与光阴极的拼接示意图，如图11e所示，在所述光阴极制作台的另一个真空腔室将真空通道层116与光阴极118进行拼接，使光阴极118、真空通道层116和馈电带112之间形成真空的密封腔，光阴极118和馈电带112可以平行设置，从而完成所述脉冲太赫兹源的制造。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。