一种光控动态可编程太赫兹波束方向精密控制器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于太赫兹科学与技术领域，具体涉及采用光控的可编程方式对太赫兹波 束的传播方向精密控制器的方法，本发明适用于绝大部分需要对太赫兹波束传播方向进行 精密可编程控制的系统。
【背景技术】
[0002] 随着太赫兹源和探测器的快速发展，如今太赫兹技术以及被广泛应用于材料学、 生物医学、安检等诸多领域。然而，相对于太赫兹源和探测器的日趋成熟，太赫兹功能器件， 如强度相位调制器，低损耗的太赫兹波导，太赫兹透镜相关的进展却较少。例如在太赫兹成 像技术中，我们还在采用机械式扫描的方式移动样品或探测器和发射源在χ-y方向上的位 置，而没有电控或光控的太赫兹转向器件直接调控太赫兹波的传播方向。这种机械式扫描 方式在实际应用中具有明显的缺点：1)扫描速度慢：为了成一幅高分辨率图像，往往需要 数分钟的时间。虽然通过增加扫描速度，可以缩短成像时间，但是这样会增加驱动系统的负 担，使得机械系统不稳定；2)长时重复性差：机械系统扫描完成之后需要复位，对于太赫兹 安检仪等需要长时间运转的仪器，长时间运转带来的机械误差会越来越大，最终超出可承 受的范围。综上所述机械式扫描太赫兹方向偏转器速度慢，稳定性差的缺点严重限制了太 赫兹快速成像领域的应用。因此，为了扩展太赫兹波的应用领域，提高太赫兹系统的性能， 我们需要研制非机械式的快速太赫兹波方向偏振控制器件。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是通过光控方式对半导体的载流子浓度进行调控，激发光入射到半 导体上产生周期性介电常数变化的光栅结构，太赫兹波入射到光栅结构上衍射后的方向发 射变化。
[0004] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0005] -种光控动态可编程太赫兹波束方向精密控制器，包括：
[0006] 激光器，沿着激光器产生的激发光输出方向依次设置有扩束镜、空间光调制器和 半导体薄片，
[0007] 太赫兹源和太赫兹透镜，所述太赫兹透镜设置在太赫兹波经过半导体薄片衍射后 的传播路径上，
[0008] 控制器和探测器，控制器的控制输出端连接到空间光调制器，探测器的信号输出 连接到计算机，经过太赫兹透镜的太赫兹波输入到探测器。
[0009] 在上述技术方案中，所述半导体薄片由基底和镀层组成，所述基底为蓝宝石，所述 镀层为硅。
[0010] 在上述技术方案中，所述蓝宝石基底的厚度为460μπι~520μπι，所述娃镀层的厚 度为 18μπι~22μπι。
[0011] 在上述技术方案中，所述蓝宝石基底的厚度为500μπι，所述硅镀层的厚度为 20 μ m〇
[0012] 在上述技术方案中，所述镀层硅可以用包括但不限于砷化镓、铟砷化镓或对太赫 兹敏感的半导体材料代替。
[0013] 本发明所述控制器的一种控制方法，包括以下步骤：
[0014] 步骤一：激光器产生的激发光经过扩束镜打在空间光调制器上，通过控制器调制 的空间光调制器对激发光进行调制，使得激发光经过空间光调制器后被调制周期性结构；
[0015]步骤二：经过调制的激发光打在半导体薄片上，在半导体薄片表面形成周期性介 电常数变化的光栅结构；
[0016]步骤三：太赫兹源发射出的太赫兹波束入射到半导体薄片，在半导体薄片表面的 光栅结构上发生衍射；
[0017]步骤四：衍射后的太赫兹波方向将发生偏转，利用太赫兹透镜对太赫兹波进行聚 焦，并利用太赫兹波探测器对发生偏转的太赫兹波进行探测，并将探测结果传输到控制器。
[0018] 在上述方法中，所述步骤二中激发光打在半导体薄片上产生光生载流子，使载流 子浓度增加，达到调控半导体介电常数的目的，通过载流子随激发光入射半导体薄片深度 的变化利用光学传输矩阵方法计算太赫兹波的反射率和相位随载流子浓度/激发光强的 关系。
[0019] 在上述方法中，入射在光栅结构不同位置的太赫兹波的反射幅度和相位均不同， 周期性的调控让太赫兹波在等效的半导体光栅上发生衍射效应，使太赫兹波的方向发生偏 转。
[0020] 在上述方法中，利用闪耀光栅的概念，在一个光栅周期内采用多级阶梯的调制，达 到太赫兹波在-1级衍射效率最高的目的。
[0021] 在上述方法中，所述光栅结构的周期d根据太赫兹波需要偏转的角度Θ结合衍射 定律dsin0 =ηιλ来选取。
[0022] 本发明的设计理论是：通过光控方式对半导体的载流子浓度进行调控，激发光入 射到半导体上，只要激发光的能量大于半导体带隙，将会在半导体中激发出光生载流子；根 据Drude模型，半导体内载流子浓度的改变也就对应着半导体在太赫兹波段的介电常数变 化；由菲涅尔反射定律可知，当半导体的介电常数发生变化时，入射到空气和半导体界面的 太赫兹波的反射率和反射相位都会发生相应的改变；利用空间光调制器对激发光的强度进 行调制形成周期结构，周期性光栅结构带来的衍射效应将会对入射到其上的太赫兹波方向 进行偏转，而偏转的角度由衍射定律决定。
[0023] 本发明的整个控制过程的实现分为四个部分：
[0024] -是根据Drude模型，半导体的介电常数与电子密度的关系为： & =匕-4 +如/Γ),其中％ =扣为半导体等离子频率。N为载流子浓度， nf为载流子有效质量，τ为载流子寿命。可以看到硅的介电常数与载流子浓度密切相关， 而半导体的本征等离子体频率正好处于太赫兹区域，使得其在太赫兹波段的介电常数对载 流子浓度的变化非常敏感。通过激发光打在半导体上产生光生载流子，使载流子浓度增加， 即达到调控半导体介电常数的目的。
[0025]二是考虑光生载流子的随激发光入射随深度的变化，利用光学传输矩阵方法计算 太赫兹波的反射率和相位随载流子浓度/激发光强的关系。
[0026] 三是利用空间光调制器产生周期性的光强调制，在半导体表面形成周期性介电常 数变化的光栅结构，根据菲涅尔反射定律，入射在光栅不同位置的太赫兹波的反射幅度和 相位均不同。周期性的调控可以让太赫兹波在等效的半导体光栅上发生衍射效应，使太赫 兹波的方向发生偏转。而根据衍射定律，对于正入射的太赫兹波dsinθ=ηιλ，太赫兹波的 衍射角度，亦即偏转角度Θ可以通过改变光栅的周期d来控制。
[0027] 四是利用闪耀光栅的概念，在一个光栅周期内采用多级阶梯的调制，从而达到让 太赫兹波在-1级衍射效率最高的目的。传统光栅结构的绝大部分能量衍射均为〇级衍射， 而〇级衍射无法改变太赫兹波的方向，因此利用传统光栅结构来实现太赫兹波束方向的控 制对太赫兹波的能量利用率非常低。我们采用闪耀光栅的设计理念，让太赫兹波偏转到-1 级方向，会大大提尚偏转后太赫兹波能量利用率。
[0028]综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：