¿Por qué es la radiación de Terahercios tan duro a generar?

Question

Este papel (y muchos otros que he leído) afirman que la búsqueda de formas de producir radiación THz es de un alto interés tema de investigación.

Sin embargo, algo he entendido nunca es por qué es tan difícil en comparación con otros rangos de frecuencia: parece que no tenemos problema de la producción de ondas de radio o luz visible, así que ¿por qué es THz/IR tan duro para producir? Básicamente, lo que nos impide el uso de la misma de los conceptos que utilizamos para producir otras longitudes de onda para producir THz?

Si yo tuviera que adivinar, intuitivamente, sería algo que tiene que ver con el hecho de que coincide con las excitaciones térmicas, por lo que si desea utilizar el mismo concepto que un LED, pero sólo tiene que utilizar un material con una menor brecha de banda como HgCdTe, el hecho de que todos los transportistas están constantemente excitado a temperatura ambiente sería muy inconveniente (que tipo de mallas con mi experiencia de tener que hacer uso de LN2 para enfriar FTIR de las máquinas).

Answer 1

Primero, una aclaración: Como Jon Custer ya se ha mencionado, la radiación THz no es difícil de generar. Es simplemente parte de la radiación del cuerpo negro. Lo que es de hecho difícil es generar coherente o, al menos, de banda estrecha de la radiación THz.

Con respecto a la emisión de material semiconductor: no Hay tantos materiales, que ofrecen un hueco de banda en el rango de THz. Tienes razón, HgCdTe es uno de los candidatos, InAsSb sería otra opción. Y probablemente hay más. Lo que tienen en común es simplemente el hecho de que usted no puede obtener o fabricar con una buena calidad del cristal. Hay un montón de problemas de ingeniería como la falta de materiales de sustrato para las capas funcionales, causando defectos intrínsecos de los transportistas o a mediados de la brecha de los estados, que podrían facilitar la recombinación de caminos, ... por otra parte, incluso si se pudiera fabricar estos materiales, que no sería muy robusto, simplemente debido a sus parámetros de los materiales. Altas energías de enlace ir de la mano con la alta bandgap y viceversa.

Por lo tanto, la gente intenta evitar esta haciendo todo tipo de bandgap de ingeniería. Un ejemplo prominente cuántica son los láseres de cascada, donde la radiación es creado a partir de las transiciones entre la banda de conducción a los estados, a pesar de que estos dispositivos no alcance la temperatura ambiente todavía. En realidad no es ni siquiera cerca, ellos todavía están limitados a < 200 K. Otra opción es la frecuencia se duplica o triplica resonante de túnel de diodos (que para mi que el conocimiento puede producir la radiación THz pero ninguna coherencia).

Finalmente, el rango de THz no sólo se caracteriza por la falta de fuentes, pero es difícil encontrar buenos (significado de banda estrecha, rápido) como detectores de bien! A mi conocimiento, bolométrica de detección, donde el calor de un pequeño chip y medir el cambio de conductividad, es todavía la forma más común. También del lado del detector requiere refrigeración criogénica para eliminar térmica de fondo.

Answer 2

Básicamente hay dos formas de generación de radiación coherente de dispositivos de estado sólido:

• Clásica osciladores electrónicos, en el que se realice el pago a oscilar dentro de un dispositivo... la frecuencia de la radiación corresponde a la frecuencia de oscilación de la carga.
• Láseres de estado sólido, en el que la carga de los portadores someterse a una transición entre dos estados cuánticos... aquí, la frecuencia corresponde a la energía de separación entre los estados.

La literatura se refiere a menudo a una "brecha de terahercios", porque estos dos enfoques golpear a su límite alrededor de la ~0.1-10 THz de la banda. Los osciladores clásicos dejar de trabajar a altas frecuencias debido a la velocidad de la oscilación está limitada por capacitiva de efectos, y el tiempo de tránsito para que los electrones se mueven alrededor del dispositivo. Convencional láseres semiconductores dejar de trabajar a bajas frecuencias debido a que, como se ha mencionado en la respuesta anterior) la brecha de banda de los materiales es demasiado grande (1 THz = 4 meV), por lo que incluso "estrecho" brecha de banda materiales como InSb o HgCdTe son demasiado grandes (de unos pocos cientos de meV).

Quantum cascada de láseres (QCLs) puede generar la radiación en el 1-5 THz de la banda, con una potencia de salida superior a 1 W por la explotación de las transiciones entre pares de quantum confinado a los estados enteramente dentro de la banda de conducción de un semiconductor heteroestructura. Puesto que los estados en las bandas de valencia no están en uso, el gap del material es casi irrelevante. THz QCLs todavía están limitados a temperaturas criogénicas, sin embargo, ya que cualquier térmica de excitación puede matar a la acción del láser muy fácilmente mediante la redistribución de los electrones entre los muy poco espaciados de los estados.

Otro reto importante para la creación de THz láseres semiconductores viene de la necesidad de confinar la luz en el medio láser. En el infrarrojo cercano de/visible, la longitud de onda es de unos pocos micrones o más corto, y por lo tanto es posible crear láseres semiconductores con unas dimensiones mucho mayores que esta longitud de onda. Como tal, óptico dieléctrico de guías de onda se pueden crear muy fácilmente que confinar la luz a través de una diferencia en el índice de refracción del láser de material y su revestimiento. En las frecuencias de THz, sin embargo, la longitud de onda es de cientos de micras, y esto requeriría QCLs a ser mucho más gruesa que la de la práctica (y financieras!) límite de crecimiento epitaxial de la tecnología. Como tal, la alternativa de la guía de onda de los enfoques basados en plasmones de superficie (es decir, el campo de luz está estrechamente "clavado" a la interfaz entre un metal y un semiconductor). Sin embargo, en estas longitudes de onda largas, una gran proporción de la energía de la radiación THz se pierde electrones libres en el metal.

Otro efecto limitante en los semiconductores viene de Reststrahlen de absorción (en la que los fotones son absorbidos por las vibraciones mecánicas (fonones) en la red cristalina). En GaAs (el más común de los THz QCL material), la Reststrahlen la absorción se produce alrededor de 36 meV (o ~9 THz), lo que efectivamente hace imposible generar la radiación THz en cualquier lugar cerca de la frecuencia de GaAs.

En conjunto, estos efectos hacen que el desarrollo de THz láseres semiconductores bastante difícil!