Фотопроводящие источники, основанные на резонаторе, для терагерцовой визуализации в реальном времени
J. Hawecker, V. Pistore, A. Minasyan, K. Maussang
Оптически управляемые фотопроводящие переключатели являются одним из преобладающих источников, используемых в настоящее время в терагерцовых системах визуализации. Однако из-за их низкой средней мощности можно получать только растровые изображения, что приводит к медленной съемке. В этой статье демонстрируется, что, поместив фотопроводящий переключатель в резонатор, можно генерировать абсолютные средние значения ТГц-мощности до 181 мкВт с частотой центра полосы ТГц-излучения 1.5 ТГц - характеристики, идеально подходящие для таких применений, как неразрушающий контроль. Резонатор основан на структуре металл-изолятор-металл, которая позволяет увеличить среднюю мощность почти на 1 порядок по сравнению со значениями при использовании стандартной структуры, сохраняя при этом широкополосный спектральный отклик. В статье демонстрируется визуализация в режиме реального времени с использованием такого источника, с широкополосным спектром, позволяющим устранить сильные дифракционные артефакты. Возможность ТГц визуализации в режиме реального времени демонстрируется с помощью ТГц камеры i2S
1. Введение
Терагерцовая (ТГц) визуализация стала важным методом неразрушающего контроля, т. к. ТГц фотоны могут проникать в оптически непрозрачные материалы. Терагерцовая визуализация играет ключевые роли в ряде промышленных применений [1]. Используемая технология основана на оптически управляемых фотопроводящих (ФП) переключателях [2,3] в ТГц-спектроскопических системах с разрешением по времени (TDS). Это обеспечивает работу в условиях комнатной температуры, в широком спектральном диапазоне, низкие затраты и высокую скорость электрической модуляции. Однако низкая средняя мощность (десятки микроватт) переключателей ограничила использование данной технологии медленным растровым сканированием, при котором цель для визуализации физически перемещается для реконструкции изображения. Хотя для увеличения скорости сбора данных могут быть реализованы различные методы [4], визуализация в реальном времени до настоящего времени не была продемонстрирована. Это ограничивает использование данной технологии в применениях, которые требуют быстрой визуализации. Хотя мощные квантовые каскадные лазеры продемонстрировали возможность получения изображений в реальном времени [5,6], их использование приводит к сильным дифракционным артефактам. Кроме того, они работают при криогенных температурах и высоких ТГц частотах (> 2 ТГц). Это ограничивает их применение. Хотя многообразные электронные источники могут достигать ТГц частоты, их излучаемая мощность быстро падает за несколько сотен гигагерц [7]. В этой работе показано, что, помещая фотопроводящий переключатель в полость резонатора металл-изолятор-металл, с помощью стандартного титан-сапфирового лазера можно генерировать средние ТГц мощности до 181 мкВт с центром полосы излучения на частоте 1.5 ТГц. Такие характеристики идеально подходят для задач неразрушающего контроля (НК). Демонстрируется принцип ТГц-визуализации в реальном времени с использованием промышленного микроболометра с широкополосной природой ТГц-источника, исключающей дифракционные эффекты.
Фотопроводящие переключатели (ФП) позволяют генерировать широкополосные ТГц импульсы. Они основаны на фемтосекундном оптическом возбуждении, которое генерируют носители заряда в полупроводниковой полосе. Они ускоряются приложенным электрическим полем, генерирующим изменяющийся во времени ток, который излучает короткий ТГц импульс (~ 1 пс). Типичные источники для ФП в лучшем случае излучают среднюю мощность в ТГц 100 мкВт [2,8,9]. Хотя ФП на основе плазмонов даёт выходную мощность в милливаттах, эти источники требуют электронно-лучевой литографии [10], что ограничивает их промышленное использование и визуализацию в реальном времени. Используется стандартная фотолитография для монолитной ТГц-полости, которая по своей природе адаптирована к масштабируемости. Кроме того, поскольку измерения мощности в ТГц-диапазоне чрезвычайно чувствительны, мы показываем характеристику мощности с помощью детектора с абсолютной калибровкой, который подтверждает мощность, оцененную по электрическому полю. По сравнению со стандартным источником без резонатора демонстрируется увеличение излучаемой мощности в 7.5 раз, что согласуется с нашими моделями, которые подчеркивают ожидаемое улучшение. Мы покажем применение этих переключателей на основе резонатора в ТГц-визуализации, где круглую область диаметром 2 см можно отобразить в реальном времени.
2. Структура
Концепция основана на геометрии из нашей предыдущей работы о «безэховых» ФП переключателях [11,12], где аналогичные переключатели использовались для высокоскоростной растровой гиперспектральной ТГц-визуализации [13]. Эта работа показала, как металлическая пластина, скрытая под ФП структурой, может увеличить спектральное разрешение ТГц системы с разрешением по времени, исключая распространение ТГц импульсов в подложку. Тем не менее, никакие измерения не проводились при абсолютной мощности, излучаемой или применяемой к ТГц-визуализации в реальном времени. Здесь мы максимизировали рабочие параметры с точки зрения электромагнитного моделирования резонатора для конструктивного излучения, приложенного поля и оптического возбуждения для достижения этой характеристики производительности. На рисунке 1 показана схема ФП переключателя и сравнение с классической версией. Верхняя поверхность основана на геометрии электрода со сдвигом [14,15]. Это позволяет оставить небольшое расстояние между электродами при сохранении большой площади ФП поверхности. Для безэхосигнального устройства тонкая металлическая пластина вставляется между активным слоем GaAs и верхней поверхностью на расстоянии d, чтобы реализовать резонатор и отражать генерируемую ТГц мощность без ТГц поля, передаваемого через подложку. Поскольку переходный ток, генерируемый импульсом оптического возбуждения, имеет направление, фиксированное встречными металлическими слоями, параллельными плоскости слоя золота, структура аналогична оптическому резонатору Фабри – Перо. Как сообщалось ранее, нижняя продольная мода удовлетворяет условию резонанса d=λ/2, где λ- длина волны в активном слое и соответствует частоте среза. Эту толщину, однако, также можно рассматривать как резонатор с квази-четвертью длины волны для длин волн ниже частоты среза. Как обсуждалось впоследствии, этот резонатор также сохраняет широкополосный отклик. Мы ясно показываем, что это допускает конструктивные помехи в дальнем поле и увеличивает среднюю абсолютную выходную мощность до уровня в сотни микроватт со стандартным генератором в качестве источника возбуждающего лазера.
Рис. 1. (а) Схема стандартной квазиполостной структуры. (б) Встречно-гребенчатый переключатель, (в) расширенный вид последнего. Структура квазиполости имеет утопленную металлическую плоскость на несколько микрометров ниже поверхности гребенчатой структуры.
Обработка устройств основана на методе металлического соединения пластин. Образец был выращен методом химического осаждения из газовой фазы и металла (MOCVD) на полуизолирующей (Si) пластине GaAs с стоп-слоем травления AlGaAs, за которым следовал активный слой GaAs толщиной 10 мкм. Образец был связан пластиной с подложкой из GaAs, покрытой золотом. Исходная подложка и слой AlGaAs были выборочно удалены, оставляя активную область GaAs открытой с металлической плоскостью 10 мкм ниже поверхности.
3. Результаты расчётов
Электромагнитное моделирование (COMSOL) поля от гребенчатых структур показано на рис.2 для излучаемой частоты 1.5 и 1 ТГц, соответствующей частоте наибольшего излучения квазирезонатора и стандартного переключателя, соответственно. Взаимосвязанная металлическая структура (Au) имеет период 4 мкм с электродами шириной 4 мкм на поверхности GaAs. Диэлектрик (300нм SiO2) размещается сверху этой структуры, что позволяет обеспечить электрическую изоляцию золотых зубцов гребёнки от второй металлической пластины, закрывающей промежутки с периодичностью, вдвое превышающей периодичность первой (см. рис. 1). Это позволяет оптически возбуждать каждый второй период промежутков первой металлизации и, следовательно, возбуждать только одно направление поля смещения, предотвращая деструктивные помехи генерируемого дальнего ТГц поля. Внедрённое металлическое устройство на рис. 2 (а) и 2 (б) моделируется с толщиной d=10 мкм. Для сравнения идентичная встречная структура была также смоделирована на подложке из GaAs толщиной 500 мкм на рис. 2 (с) и 2 (д) (т.е. без внедрённой металлической плоскости). Моделирование FDTD проводилось с использованием COMSOL Multiphysics. Моделируемая площадь составляла 3 мм в диаметре, что в 5 раз превышает наибольшую исследуемую длину волны. Оптически генерируемая ТГц генерация моделируется поверхностными токами между периодами более 300 мкм (приблизительный размер нашего возбуждающего ИК-луча). Граничные условия были настроены на рассеяние для подавления отражений электрических полей. Два идентичных контрольных зонда электрического поля расположены на 1.5 мм вокруг активной поверхности образца; один контролирует электрическое поле сверху, а другой - снизу. Значение, измеренное этими датчиками интегрируется по длине монитора. Как ясно видно из структуры на основе резонатора, все излучение отражается от верхней части устройства, без импульса, который распространяется в подложку. Это отличие от стандартного переключателя, который излучает в обоих направлениях. Кроме того, скрытый металлический переключатель показывает усиленное интегрированное поле (интенсивность), которое в 3 (9) раза больше, чем стандартный эквивалентный ФП переключатель.
Рис. 2. Электромагнитное моделирование поляризованного испускаемого электрического поля x при 1 и 1.5 ТГц (максимальная эмиссия поля стандартного и квазирезонаторного ФП переключателя, соответственно) для (a), (b) квазиполости и (c), (d) стандартный ФП переключатель.
Влияние излучаемой частоты можно увидеть на рис.3, где показан контурный график поля, излучаемого устройством в зависимости от частоты (ось y) и расстояние между толщиной GaAs [от вершины слоя GaAs до встроенного металла (d)]. Как можно видеть, наблюдается четкое резонансное поведение, при котором излучение пиковой частоты смещается к более высоким частотам, при уменьшении d, что подчеркивает эффект резонатора. В случаях, когда d>10 мкм полосы частот более высоких порядков наблюдаются благодаря тому, что толстый GaAs в дальнейшем выступает в качестве резонатора Фабри – Перо. Поскольку частота излучения этих структур обычно достигает 4 ТГц, расстояние d = 10 мкм выбирается в качестве оптимального для ФП переключателя, чтобы избежать каких-либо генерируемых колебаний Фабри-Перо, где первая углубление может ожидаться при λ ~ 2 nd ~ 72 мкм ~ 4.2 ТГц (где n показатель преломления GaAs). Это дает усиление на центральной частоте 1.5 ТГц, что хорошо соответствует центральному излучению этих ФП переключателя. Черная линия соответствует условию четверти длины волны (v= c / 4 nd). Отклонение смоделированных данных от этой линии является результатом показателя преломления металла, что приводит к увеличению эффективного показателя при уменьшении слоя GaAs [16].
Рис. 3. 2D-график моделируемого электрического поля как функции частоты (ось y) и активной толщины GaAs d (ось x). Черная сплошная линия соответствует условию четверти длины волны с показателем преломления 3.6.
4. Результаты эксперимента
Встроенная структура была нанесена поверх слоя GaAs. Экспериментальная установка была основана на стандартной ТГц ТДС установке [3]. Фотопроводящие переключателя были смещены до 40 кВ/см, что соответствует приложенному напряжению 16 В, и электрически модулированы при 40 кГц и рабочем цикле 50%. Сверхбыстрый титан-сапфировый генератор (импульсы 100 фс, частота повторения 78 МГц) с центром в 810 нм был использован для фотовозбуждения носителей в активном слое GaAs. Была использована средняя мощность 380 мВт. Генерируемые ТГц импульсы собирались с передней поверхности активного слоя GaAs как для внедрённого металла, так и для стандартных структур в геометрии отражения с использованием параболических зеркал. Первоначальные измерения были основаны на когерентных измерениях спектра с использованием стандартной электрооптической выборки для обнаружения электрического поля ТГц-импульсов с использованием кристалла GaP ⟨110⟩ толщиной 300 мкм и стандартного сбалансированного фотодиодного подхода с блокирующим усилителем. Механическая линия задержки используется для выборки сверхбыстрого импульса в ТГц как функции времени. Установка THz-TDS находится в камере продувки сухим воздухом (обычно <2% влажность) для снижения водопоглощения ТГц излучения.
На рисунке 4 показан измеренный спектр амплитуд по сравнению с моделируемым профилем (без учета отклика электрооптической выборки). На вставке показана измеренная временная характеристика, показывающая квазиодноцикловый импульс. Соответствующие значения электрических полей были рассчитаны в соответствии с результатами, полученными в работе [17] со значением 498 В/см при 39,5 кВ/см. Электрооптический коэффициент, Электрооптический коэффициент, r41, для нелинейного кристалла составляет 0,97 пм / V для GaP. Как можно видеть, широкополосный отклик реализуется, несмотря на наличие полости, только с небольшим уменьшением полосы пропускания по сравнению со стандартным устройством (см. Рис.5). Экспериментальные данные были использованы для определения потерь для ТГц импульса в верхних 2 мкм, где поглощается оптический импульс. Сравнение с экспериментальными данными даёт разницу 400 см-1, что является приемлемым.
Рис. 4. Нормированный экспериментальный (черный) и смоделированный (красный) спектральный отклик структуры квазиполости. На вставке показана измеренная временная кривая.
Рис. 5. (а) Временная характеристика электрических полей и (б) спектр стандартных и квазиполостных ФП-переключателей.
Когерентные измерения ТГц поля сопровождались тщательными исследованиями средней мощности с использованием калиброванного пироэлектрического детектора (LP20 от SLT Sensor и Lasertechnik, откалиброванного PTB Braunschweig and Berlin при 1,4 ТГц с чувствительностью 66 В/Вт). Излучение собирается и фокусируется на детекторе с использованием двух параболических зеркал F # 2. Поскольку переключатель должен работать в геометрии отражения, собранной с передней стороны переключателя, оптическая накачка была полностью отфильтрована с использованием тефлоновых и черных пластиковых фильтров, а инфракрасная камера использовалась для проверки того, что оптический луч не падает на детектор. Результаты не корректируются для поглощения фильтров. Чтобы измерить мощность, на устройство добавляется модуляция 20 Гц поверх модуляции 40 кГц. Для максимального приложенного поля мощность считывается непосредственно на осциллографе [8] через пиковое напряжение. ТГц отклик проверяется путем размещения металлической пластины перед детектором, чтобы избежать ложных показаний электромагнитных помех. Эта абсолютная мощность используется для калибровки пироэлектрических детекторов, который более чувствителен для измерения мощности при более низких электрических полях. На рисунке 6 показана измеренная средняя мощность как функция приложенного поля для квазиполости и стандартного переключателя. Здесь, для стандартного ФП-переключателя, шаг имел ширину 2 мкм, разделенный зазорами 2 мкм. (Электромагнитное моделирование показывает, что расстояние между 4 и 2 мкм не имеет различий в излучаемом электрическом поле; см. Рис.7.) Наибольшая мощность, измеренная для квазиполостного переключателя, составила 181 мкВт по сравнению с 24 мкВт для стандартного переключателя при 39,5 и 42,25 кВ / см, соответственно. Первый соответствует эффективности оптического излучения в ТГц 0,05%. Следует отметить, что соотношение между этими двумя устройствами не является постоянным, причем контрастность при приложенных полях выше 35 кВ / см. Возможно, это является результатом усиленного рассеивания тепла в устройстве на основе резонатора, где толстый скрытый слой золота может легко отводить генерируемое тепло из пятна возбуждения.
Рис. 6. Средняя мощность как функция приложенного поля для стандартного (красного) и квазиполостного (черного) ФП-переключателя.
Рис. 7. 2D-график распределения электромагнитного поля для стандартной структуры с (a) 2 мкм и (b) 4 мкм межцифровым интервалом.
Чтобы проиллюстрировать применение этих средних высоко-ТГц мощностей, ТГц-визуализация в реальном времени была выполнена с использованием недавно выпущенной в продажу ТГц камеры TZcam (i2S) на основе микроболометрического массива [5]. Предыдущая работа с этим типом камеры показала изображение в реальном времени только с ТГц QCL [5] и изображение только точки фокусировки стандартного ТГц фотопроводящего переключателя [18] (FWHM=320 мкм). Оптически непрозрачный пластиковый объект показан на рис. 8 (a) и 8 (b), и размещается на пути ТГц-луча сразу после фокусирующего параболического зеркала. Круглая область с подсветкой имеет диаметр 2 см. На рисунке 8(с) показано ТГц изображение, полученное камерой в режиме реального времени, и отчетливо виден скрытый текст с пространственным разрешением приблизительно 400 мкм. Важно отметить, что в отличие от ТГц визуализации с монохроматическими источниками, такими как ККЛ [19], сильные дифракционные эффекты не наблюдаются из-за спектрально широкополосной природы ТГц переключателя, где дифракция каждой частоты оказывает разрушающее воздействие. Это подчеркивает преимущество использования спектрально широких источников для ТГц визуализации. Видео в реальном времени c объектом, движущимся в плоскости ТГц луча, можно найти ниже. Яркое пятно в центре изображения является результатом отверстия в первом параболическом зеркале, которое используется для возбуждения переключателя в режиме отражения (подробности настройки измерения см. на рис.9). Хотя визуализация с более высоким разрешением и качеством изображения может быть получена с помощью ТГц QCL (из-за более короткой длины волны и более высоких мощностей), они работают при криогенных температурах. Дальнейшие QCLs работают на более высоких частотах (> 2 ТГц ) где материальные потери больше, уменьшая проникновение и, следовательно, повышая, потенциал применения в неразрушающем контроле. Здесь дальнейшая оптимизация позволит фотопроводящим переключателям достигать уровней мощности в милливаттах (см. ниже), что улучшит качество изображения, хотя разрешение будет ограничено собственным излучением с центром около 1.5 ТГц.
Рис. 8. (а) Оптическое изображение (фронт) объекта. (б) Оптическое изображение (задняя часть объекта) скрытого текста. (c) Изображение в режиме реального времени с ТГц камеры, использующее высокую среднюю мощность от ФП квазирезонатора, с отображением скрытого текста.
Рис. 9. Схема настройки визуализации в реальном времени. ФП переключатель возбуждается инфракрасным лучом 800 нм, проходящим через отверстие в первом параболическом зеркале. Изображаемый объект помещается сразу после второго параболического зеркала. ИК-фильтры гарантируют, что на камеру не попадает ИК-излучение.
Визуализация скрытого текста в режиме реального времени с помощью ТГц камеры TZcam i2S и фотопроводящего переключателя с высокой средней мощностью.
5. Заключение
В заключение, используя геометрию металл-изолятор-металл для создания резонансной полости, можно генерировать 181 мкВт средней мощности, одновременно сохраняя широкий спектральный отклик и центральную частоту 1.5 ТГц. Подтверждение принципа ТГц визуализации в реальном времени может быть выполнено с такими средними показателями мощности. Генерация высоких средних мощностей при комнатной температуре является важной вехой для ТГц источников и будущих применений. Мы также считаем, что эту среднюю мощность можно оптимизировать по крайней мере на порядок и достичь диапазона милливатт за счет увеличения мощности накачки, толщины полости (с небольшим уменьшением пропускания), а также площади активной поверхности и техники. Оптический луч возбуждает только экспонированный слой GaAs переключателя. Например, путем увеличения толщины конструкции до 15 мкм и с использованием пространственного модулятора света можно создать луч возбуждения, чтобы возбуждать только те части GaAs, которые подвергаются воздействию (в настоящее время 25% от общей площади), что приводит к увеличению на 75%, если избежать оптического насыщения. Кроме того, эти структуры можно легко масштабировать: увеличивая активную область до 1х1 мм, мощность оптического возбуждения можно увеличить в 4 раза (с постоянной плотностью мощности), доводя ТГц мощность до уровня мВт. Мы полагаем, что это будет интересно широкому кругу исследователей, работающих в области фундаментальной науки, а также для широкого применения, устраняя важное пустое место в работе источников ТГц.
