新型固態可調連續波太赫茲光源的研究

《新型固態可調連續波太赫茲光源的研究》是依託南京大學，由王華兵擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：新型固態可調連續波太赫茲光源的研究
• 項目類別：重點項目
• 項目負責人：王華兵
• 依託單位：南京大學

項目摘要

開發太赫茲（THz）波段的重要意義已為各界廣泛認識，而有關工作中重要的一環是研製合適的太赫茲源（信號發生器）。由於套用或研究目標的不同，對於太赫茲源有不同的要求。高溫超導體內本徵約瑟夫遜結（IJJ）陣列在太赫茲波段的輻射，在頻率覆蓋範圍、頻率可調性、頻譜純度等方面有獨到的特點，可望製成功率輸出達毫瓦級的連續波太赫茲源。本項目即以此為目標，著重研究下列問題：a、IJJ陣列作為太赫茲源工作時，內部能量分布與輸出的THz輻射強度、頻率及頻率可調性之間的關係；b、調控IJJ陣列內部能量分布的方法；c、進一步提高功率輸出、頻率可調性、頻譜純度，製成功率達毫瓦級、頻率覆蓋範圍300GHz至2THz、頻率可調範圍40%、鎖頻鎖相的信號源，並製成可供實際使用的儀器或模組，如太赫茲接收機的本振信號源。

結題摘要

太赫茲（THz）波在物理上是指頻率在0.1到10THz範圍內的電磁波，開發THz波段的重要意義已為各界廣泛認識，而其中最關鍵的一環是研製合適的THz源（信號發生器）。由於套用或研究目標的不同，對於THz源有不同的要求，特別是其頻率範圍和可調性，以及頻譜純度等方面。2007年，Bi2Sr2CaCu2O8+δ（BSCCO）高溫超導體沿其c方向的本徵約瑟夫森結（IJJs）陣列，在電流偏置下可諧振出THz波段的電磁波，其理論頻率範圍可達0.1到10THz、頻率連續可調，因此具有廣闊的套用前景。 在本項目中，完成的研究內容和取得的成果如下：1、THz源方面。發明了一種GBG（Gold-BSCCO-Gold） “三明治”結構的BSCCO輻射源，並由此改進為SWS（SandWich-Structure）“三明治”結構，最佳化了器件的導熱性能，從而大幅提高了輻射功率至毫瓦量級，增大頻率覆蓋範圍到0.1-2THz，頻率可調範圍超過40%，並實現鎖頻鎖相的信號源。相關成果得到國內外同行的重視，被《Nature Photonics》的綜述論文多處重點介紹。2、THz輻射機理方面。針對THz輻射源內部物理機制的影響因素（包括THz譜、熱、電磁波等物理性能），項目組自主開發了一套超導THz信號檢測與低溫掃描雷射顯微鏡（LTSLM, Low Temperature Scanning Laser Microscope）複合測試系統，實現了各物理性能的原位表征。研究了THz輻射源內部不同的能量分布與輸出的THz輻射強度和頻譜的內在聯繫，提出了BSCCO本徵結結陣作為THz源工作時約瑟夫森振盪的同步機制和影響BSCCO本徵結結陣內部能量分布的因素。通過聚焦雷射，實現了THz源功率的人工調控。該測試系統為全面探索THz源機制和提高性能提供了有力的測試和分析手段，推動了國內THz固態源的設計與製備。該項成果被國內外同行廣泛關注。3、THz輻射源套用方面。項目組探索了基於BSCCO超導體的THz輻射源的實用性，製成了可以在液氮溫區工作的小型攜帶型超導THz源。完成了全超導THz接收機的探索，實現了氣體THz光譜的檢測。上述相關成果轉化為32篇SCI論文和10項國家專利。目前在本研究組我們的太赫茲源已替代了國外產品，德國、日本、俄羅斯等國的研究組也使用我們的太赫茲源進行合作研究。