取代传统机械式的太 赫兹波束方向控制器，利用激发光在半导体上形成的介电常数的周期性光栅结构来对太赫 兹波的方向进行精密控制。
【附图说明】
[0029] 本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
[0030] 图1是本发明的光控动态可编程太赫兹波束方向精密控制器的原理图；
[0031] 图2是本发明中半导体薄片结构以及硅中光生载流子的空间分布示意图；
[0032] 图3是控制器上反射的太赫兹波的振幅与载流子浓度关系图；
[0033] 图4是控制器上反射的太赫兹波的相位与载流子浓度关系图；
[0034] 图5是设计获得的光栅结构振幅和相位随位置的关系；
[0035]图6是入射到半导体光栅结构上的太赫兹波的衍射图案；
[0036] 图7是不同太赫兹频率下的衍射图；
[0037] 其中：1是激光器，2是扩束镜，3是空间光调制器，4是半导体薄片，5是太赫兹透 镜，6是太赫兹探测器，7是控制器，8是太赫兹源。
【具体实施方式】
[0038] 如图1所示为本发明的光控可编程太赫兹波束方向精密控制器的原理图，该系统 包括：激光器、光学扩束镜、空间光调制器、半导体薄片、太赫兹源和探测器件、太赫兹透镜 (HDPE)以及控制器等。图中半导体薄片采用硅，砷化镓，铟砷化镓等对太赫兹敏感的半导体 材料均可以。系统工作方式为：激光器产生的的激发光经过光学扩束系统后打在空间光调 制器上；由计算机编程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；经过调制的激发光打在半导体器件上，形成光栅结构，随后太赫 兹波束入射到该光控的半导体光栅结构上发生衍射；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。
[0039] 图2为本发明半导体薄片的结构示意图，这里采用的是硅镀在蓝宝石基底上，蓝 宝石基底的厚度选择为500μm，硅的厚度选择为20μm。硅可以用其他的对太赫兹波敏 感的半导体代替，蓝宝石基底也根据需要采用对激发光透明的其他材料。这里我们考虑到 硅对激发光的吸收，该效应导致光强随着其深入硅片的距离呈指数衰减，即光生载流子浓 度也随距离指数衰减。载流子浓度随距离的关系可以用公式= ''4来表示，其中η。 为硅表面的载流子浓度，X为深入硅片的距离，dp为穿透深度，对于532nm的激发光dp = 0. 5μm〇
[0040]图3、图4为利用传输矩阵法计算的入射到半导体器件上太赫兹波的反射特性与 载流子浓度的关系，我们采用多层膜方法将该半导体器件分解为m个薄膜层，第m-1和第m 层薄膜界面两边的场幅度的分布由方程关联；
[0041]
[0042] 其4
tm ^和rm ^分别为第m-1和m种介质界面的透 过和反射的菲涅尔系数。在第m中介质两个边界的电场强度的关系为
[0043]
(e-,s<·· 〇 )
[0044] 其中P", = m为相位传输矩阵，而& = 2;r/ 2/?,乂,cos%,为经过第m层 薄膜的相移，λ为入射波长，ηπι和dm分别为第m层薄膜的折射率和厚度，而爲为光线在 第m层薄膜传播时与界面法线的夹角。通过一层一层的迭代，整个多层膜结构的左右两个 界面的电场幅度可以用一下的传输矩阵联系起来
这里TMN+1) = ?οιΡι????Ρ???νΡΛ?为总传输矩阵。根据电磁场的边界条件，整个多层膜的反射和透射系 数可以用总传输矩阵的元素来表示：r=T21/Tn，t= 1/Τη。图3图4即为图2中所示半导 体结构在ΙΤΗζ频率下的反射系数的振幅和相位随载流子浓度变化的曲线。
[0045] 图5、图6是根据图3、图4的反射系数随载流子浓度变化曲线设计的闪耀光栅结 构，在这里光栅的周期为波长的两倍，入射到该结构上的太赫兹波的衍射图像如图6所示。 可以看到有别于传统均匀光栅的衍射图案，其-1级的衍射效率最高。采用这种结构，我们 有效的偏转了太赫兹波的传播方向。而根据衍射定律，通过改变光栅结构的周期，我们可以 改变衍射角度。
[0046] 图7为针对不同波长下设计的光栅结构，这些光栅结构的周期均为对应波长的两 倍，因此其太赫兹波的偏转角度均为30度。由此可知我们的系统在太赫兹波段的不同频率 均有通用的特性。
[0047] 本发明并不局限于前述的【具体实施方式】。本发明扩展到任何在本说明书中披露的 新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
【主权项】
1. 一种光控动态可编程太赫兹波束方向精密控制器，其特征在于包括： 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， 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， 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 到控制器的输入，经过太赫兹透镜的太赫兹波输入到探测器。2. 根据权利要求1所述的一种光控动态可编程太赫兹波束方向精密控制器，其特征在 于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。3. 根据权利要求2所述的一种光控动态可编程太赫兹波束方向精密控制器，其特征在 于所述蓝宝石基底的厚度为460μm~520μm，所述娃镀层的厚度为18μm~22μm。4. 根据权利要求3所述的一种光控动态可编程太赫兹波束方向精密控制器，其特征在 于所述蓝宝石基底的厚度为500μm，所述硅镀层的厚度为20μm。5. 根据权利要求2所述的一种光控动态可编程太赫兹波束方向精密控制器，其特征在 于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。
【专利摘要】本实用新型公开了一种光控动态可编程太赫兹波束方向精密控制器，包括：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，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，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。本实用新型取代传统机械式的太赫兹波束方向控制器，利用激发光在半导体上形成的介电常数的周期性光栅结构来对太赫兹波的方向进行精密控制。
【IPC分类】G02F1/313, G02F1/29
【公开号】CN205067936
【申请号】CN201520818317
【发明人】杜良辉, 朱礼国, 孟坤, 李江, 翟召辉, 钟森城, 刘乔, 彭其先, 李泽仁, 赵剑衡
【申请人】中国工程物理研究院流体物理研究所
【公开日】2016年3月2日
【申请日】2015年10月20日