原理 | 太赫兹 (THz) 传感器

利用超表面开发 THz 探测器

光电倍增管 (PMT) 和图像增强器 (II) 均采用基于光电效应原理的光电表面。

然而,与光波不同,THz 波的光子能量较低,很难直接引发光电效应。

因此,我们开发了一种将 THz 波转换为电子的超表面。在此,我们介绍超表面的概念和 THz 波到电子的转换原理。

什么是超表面?

超表面是一种人工设计的具有微结构的表面结构,广泛用于各种应用技术。之所以称之为超表面,是因为这是一种排列着周期性微结构(超原子)的表面。

滨松集团将这种超表面应用于 THz 检测。因此,这里的超表面是指 THz 波到电子的转换元件。

超表面由石英或硅等基板上的规律排列的黄金天线阵列组成,在 THz 波入射时,可根据场致电子发射原理发射电子。这些电子经过放大后输出,用于检测 THz 波。

场致电子发射图像

超表面微结构的放大图像

场致电子发射原理

 

THz 波到电子的转换利用的是场致电子发射原理。在此,我们对比用于普通光电倍增管的光电变换原理,介绍利用超表面和 THz 波电场进行电子发射的原理。

众所周知,超构表面场致电子发射是一种依赖电场强度的高度非线性现象。

 

此外,研究发现,涂覆碱性金属可以降低天线金属(黄金)表面的功函数,从而增强对 THz 波电场的灵敏度。滨松集团的超表面正是利用这一特性,在天线表面涂有碱性金属以提高灵敏度。

该天线设计还允许自由设计 THz 波与天线的谐振频带,从而可以支持从亚 THz 区到中红外区的广泛频带。

超表面(THz 光电倍增管)实现的场致电子发射

超表面的能带模型

在使用超表面的电子发射中,THz 波的电场经过天线放大后集中于发光体。

高电场集中于发光体。THz 波产生的高电场使黄金天线表面的真空能级倾斜,导致黄金的费米能级电子隧穿到真空侧。这一现象称为场致电子发射。

场致电子发射所发射的电子按照周围电场的作用在真空中运动。

1. THz 波入射至天线并聚集形成电场。

2. 高电场使黄金天线表面的真空能级倾斜。

3. 黄金的费米能级电子隧穿至真空侧。

碱性光阴极面(普通光电倍增管)的光电效应

光阴极面的能带模型

半导体具有“能隙”(即电子无法存在的禁带宽度)、“电子亲和能”(导带与真空能级间的能量差),以及“功函数”(费米能级与真空能级间的能量差)。

光子入射到光阴极面时,价带中的电子吸收光子能量并受到激发,从而扩散至表面。扩散的电子超过真空能级并以光电子的形式发射到真空中。

1. 光子入射至光阴极面,激发价带中的电子。

2. 激发的光电子扩散至表面。

3. 超过真空能级的光电子被发射到真空中。

场致电子发射的非线性输出

场致电子发射原理遵循 Fowler-Nordheim 关系公式。

其中,a 和 b 为 FN 常数,F 为功函数,β为电场集中因子,E 为 THz 波电场强度。电子发射量取决于 THz 波的电场强度 E。因此,利用该原理的超表面或许能够直接测量 THz 波电场强度。

 

另外,由于电子发射量与电场强度 E 的关系是高度非线性的,电场强度的微小变化都会引起电子发射量的巨大变化。如图所示,与线性设备相比,(该装置)可以清楚地观测到非线性响应特性。这种非线性响应特性可应用于细微变化的测量。

Fowler-Nordheim 关系公式

响应特性比较

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分类 标题 作者 链接
基本原理 光波驱动型长波长光电倍增管 Simon J. Lange 等人 https://doi.org/10.1002/lpor.202470002
用途 IEEE 太赫兹科学与技术学报 T. O. Buchmann 等人 https://ieeexplore.ieee.org/xpl/RecentIssue.jsp?punumber=5503871 
用途 基于 THz-PMT 电场干涉法的傅里叶变换 THz 光谱 H. Takahashi 等人 https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-32-7-12774&id=548237

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