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研究团队展示了用于太赫兹波的新型发射器

太赫兹波在科学技术中变得越来越重要。它们使我们能够揭示未来材料的特性,测试汽车漆和屏幕外壳的质量。但是产生这些波仍然是一个挑战。亥姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫(HZDR),德累斯顿工业大学和康斯坦茨大学的团队现已取得重大进展。研究人员已经开发出一种锗成分,它可以产生具有优势特性的短太赫兹脉冲:这些脉冲具有极高的宽带频谱,因此可以同时提供许多不同的太赫兹频率。由于该团队已经在半导体行业中使用了已经可以使用的方法来制造组件,因此该开发有望在研究和技术领域实现广泛的应用。轻:科学与应用。

就像光一样,太赫兹波也被归类为电磁辐射。在光谱上,它们恰好介于微波和红外辐射之间。但是,尽管微波和红外辐射早已进入我们的日常生活,但太赫兹波才刚刚开始使用。原因是自2000年代初以来,专家只能为太赫兹波构造出合理可接受的信号源。但是这些发射器仍然不完美-它们相对较大且价格昂贵,并且它们发射的辐射并不总是具有所需的属性。

建立的一种生成方法是基于砷化镓晶体。如果用短的激光脉冲照射该半导体晶体,则形成砷化镓电荷载流子。这些电荷通过施加电压来加速太赫兹波的产生,从而加速电荷的产生,该机制与VHF发射器桅杆中的基本机制相同,在该装置中,移动电荷会产生无线电波。

但是,这种方法有许多缺点:“只能用相对昂贵的特殊激光器来操作,” HZDR物理学家Harald Schneider博士解释说。“使用我们用于光纤通信的标准激光器,它不起作用。” 另一个缺点是砷化镓晶体只能传递相对窄带的太赫兹脉冲,因此频率范围有限-这极大地限制了应用领域。

贵金属植入物

这就是为什么施耐德及其团队将赌注押在另一种材料-半导体锗上的原因。施耐德说:“有了锗,我们就可以使用价格便宜的激光器,即光纤激光器。” “此外,锗晶体非常透明,因此有助于发射非常宽带的脉冲。” 但是,到目前为止,它们存在一个问题:如果用短的激光脉冲照射纯锗,则需要几微秒的时间才能使半导体中的电荷消失。只有这样,晶体才能吸收下一个激光脉冲。但是,当今的激光可以以几十纳秒的间隔发射脉冲,这对于锗来说是一连串的发射速度太快了。

为了克服这一困难,专家们寻找一种使锗中的电荷更快消失的方法。他们找到了答案,这是一种显着的贵金属-黄金。施耐德的同事Abhishek Singh博士解释说:“我们使用离子加速器将金原子发射到锗晶体中。” “金穿透晶体达到100纳米的深度。” 然后,科学家将晶体在900摄氏度下加热了几个小时。的热处理确保金原子被均匀地分布在锗晶体。

当团队用超短激光脉冲照亮胡椒锗时,成功开始了:与其在晶体中徘徊了几微秒,不如在不到2纳秒的时间内,电荷载流子再次消失了,比以前快了数千倍。形象地讲,黄金就像陷阱一样,有助于捕获和抵消电荷。辛格高兴地报道:“现在,锗晶体可以以高重复频率被激光脉冲轰击,并且仍然可以正常工作。”

廉价制造

这种新方法可促进具有极宽带宽的太赫兹脉冲:与使用已建立的砷化镓技术的7太赫兹相比,现在是70太赫兹大了十倍。“我们一口气就能获得广泛,连续,无间隙的频谱”​​,Harald Schneider兴奋地说道。“这意味着我们手头有一个非常通用的资源,可以用于最多样化的应用程序。” 另一个好处是,可以有效地使用与微芯片相同的技术来处理锗组件。施耐德指出:“与砷化镓不同,锗与硅兼容。” “由于新组件可以与标准光纤激光器一起使用,因此您可以使该技术相当紧凑和廉价。”

这将使掺金锗成为一个有趣的选择,不仅用于科学应用,例如对创新的二维材料(例如石墨烯)的详细分析,而且还用于医学和环境技术。例如,人们可以想象通过太赫兹光​​谱追踪大气中某些气体的传感器。如今,太赫兹光源仍然太昂贵了。在德累斯顿-罗斯森多夫(Dresden-Rossendorf)开发的新方法可以帮助将来使这种环境传感器变得更加便宜。

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