基于狄拉克半金属表面等离子体波的双频太赫兹辐射源的制作方法

本发明属于辐射源工程技术领域，涉及到一种基于狄拉克半金属表面等离子体波的双频太赫兹辐射源，具体而言是一种可用于太赫兹成像、安检和通信等系统的双频相干太赫兹辐射源。

背景技术：

太赫兹波在电磁波谱中处于微波和红外线之间。太赫兹波具有很多独特的性质，首先，其光子能量低，低于各种化学键的键能，可用于对人体和各种生物体的无损安全检测。其次，太赫兹波长比可见光波长更长，可对烟雾等透视，并且对很多物质(陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料)的穿透性很好。再有，太赫兹波谱带宽很宽，可用于高速无线通信。并且，大多数生物大分子的振动和转动能级位于太赫兹波段，利用太赫兹光谱可以检测这些分子的指纹特征谱。基于这些特性，太赫兹在安全检测、成像、生物医学、无线通讯等领域均有重要的应用。近年来，太赫兹技术在国内外都掀起一股研究热潮，推动其发展的一个核心关键问题是太赫兹辐射源。

目前，太赫兹辐射源主要依靠两种方法，电子学和光子学方法。然而它们在频率和功率两方面均面临巨大挑战。电子学源包括固态电子学源和真空电子学源。基于半导体器件的固态电子学源主要工作在太赫兹低频段，如0.1thz-0.5thz，但是这类器件受限于电子在半导体结间的渡越时间，具有高频截止特性，并且随着工作频率增加，辐射功率快速降低。在0.1thz-0.2thz，输出功率可达几百毫瓦，而频率升高到0.4thz时，输出功率降低到几百微瓦。真空电子器件主要指回旋管、返波管、速调管和行波管等依靠电子注与慢波结构相互作用实现净的能量输出的真空器件。真空电子器件的工作频率与慢波结构的尺寸成反比，然而随着工作频率的增高，慢波结构的加工越来越困难。目前某些真空电子器件，如回旋管、返波管等的工作频率能达到1thz，但是其输出功率随着频率增高而迅速下降。光子学方法主要依靠飞秒激光脉冲驱动的光频下转换产生的，但这种方法产生的太赫兹辐射其效率、输出功率都比较低。最近发展迅猛的量子级联激光器主要工作在太赫兹高频段，很难将频率降低到1thz以下，而且随着频率降低输出功率也降低。为了抑制量子背景噪声，该辐射源需要工作在低温条件下。因此，开发覆盖整个太赫兹频段的高功率太赫兹辐射源仍然是一项突出的挑战。

狄拉克半金属是一种全新的奇特拓扑量子材料。这种材料的体电子形成了三维的狄拉克锥结构，所以可以看作是“三维的石墨烯”。和石墨烯类似，狄拉克半金属可以支持表面等离子体波(spps)。同时也具有spps的频率处在太赫兹到中红外波段，极强的局域性和极低的传播损耗，spps可以通过调整外加偏置电压或化学掺杂来调谐等优点。相比于石墨烯，由于狄拉克半金属中晶体对称性保护使得其中的电子具有更高的迁移率。这将使狄拉克半金属spps具有更低内在损耗。同时，狄拉克半金属体材料比石墨烯二维结构多了一个维度，它可以构成等离子体光栅，因此，狄拉克半金属不仅可以支持常规的表面等离子体波还可以支持腔体表面等离子体波。目前，对狄拉克表面等离子体波的研究还主要集中在其基本性质方面，用于产生太赫兹辐射还未见报道。

面对以上应用需求，本发明提出一种基于狄拉克半金属表面等离子体波的双频太赫兹辐射源，运动电子从狄拉克半金属薄膜表面掠过激发起两种模式的spps，两种模式都能直接转化为基底中增强的相干切伦科夫太赫兹辐射，该辐射功率密度被spps增强两到三个数量级，通过调节狄拉克半金属化学势和电子速度可以在太赫兹频段内调谐辐射频率。集合了双频、功率增强和调谐等优点，能提升太赫兹辐射源的辐射功率与频率覆盖范围。

技术实现要素：

本发明鉴于上述技术背景，目的在于解决现有太赫兹辐射源技术存在不能覆盖整个太赫兹波段及辐射功率低的问题，提供了一种具有室温工作、双频、高功率的、可覆盖整个太赫兹波段的相干太赫兹辐射源。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案。狄拉克半金属的电导率σ可以采用库伯(kubo)公式描述，再由电导率与介电函数之间的关系得到介电函数。

εbds(ω)＝ε∞+σ/ωε0(1)

其中：ε∞是频率趋近无穷时的介电常数，ε0是真空介电常数，ω是圆频率。

联立边界条件在直角坐标系下求解麦克斯韦方程组可以得到该结构中不同区域的电磁场方程：

对于上半空间区域(y＞d)：

其中：k0是真空中波矢，kz是spps的z方向波矢，a1是场系数。对于狄拉克半金属薄膜区域(0＜x＜d)：

其中：a2和a3是场系数。

对于缓冲层区域(-h＜x＜0)：

其中：ε3是缓冲层介电常数，a4和a5是场系数。

对于介质基底区域(x＜-h)：

其中：εs是基底介电常数，a6是场系数。

得到场方程后，采用场匹配方法将狄拉克半金属薄膜上下界面中电荷的耦合效应包括在内，边界匹配条件如下：

将各区域的电磁场方程带入边界匹配条件中，消去场系数即得到包含两个spps模式的色散方程，色散方程为：

求解色散方程可以得到对应于频率的两个spps模式的波矢kz。

运动电子将诱导产生一个倏逝场，该场作为入射场激发结构中的spps，spps再转化为基底中的辐射场。求解以下非齐次亥姆霍兹方程可以得到倏逝场。

其中：μ0是真空磁导率。

运动电子的电流密度可表示为：

jz＝qv0δ(y-y0-d)δ(z-v0t)(9)

其中：v0为电子运动速度，y0为运动电子与半金属薄膜上表面的距离，q是运动电子沿x方向的线电荷密度。

联立方程(8)和(9)，并利用傅里叶变换可以得到倏逝场：

其中：kz＝ω/v0是倏逝场沿z方向的波矢。

在有电子激发的情况下，边界条件变为：

将场方程带入(11)可以确定所有的场系数。场系数得到后可以计算辐射频谱、场分布等辐射问题。

附图说明

图1为运动电子激发狄拉克半金属薄膜覆盖带缓冲层基底结构在yoz平面内的示意图。图中从下到上分别是介质基底、介质缓冲层、狄拉克半金属薄膜和运动电子。

图2为结构中的对称模和非对称模spps色散曲线图。灰色阴影部分为切伦科夫辐射区，色散位于该区域内spps可以转化为切伦科夫辐射，倏逝场电子线与色散曲线的交点为工作点。可以看到电子线与对称模和非对称模spps色散曲线都可以在辐射区内相交，因此，由运动电子激发起的对称模和非对称模spps均能直接转化为基底中相干的切伦科夫太赫兹辐射。插图为辐射频谱图，有两个辐射频点，分别对应对称模和非对称模spps。

图3中a和b分别为对称模和非对称模spps场分布图，可以看到由运动电子激发起的对称模和非对称模spps均直接转化为基底中相干的切伦科夫太赫兹辐射。

图4为辐射频率与狄拉克半金属化学势和电子速度之间的关系图。可以看到通过调节狄拉克半金属化学势和电子速度可以在太赫兹频段内调谐辐射频率。

具体实施方案

实施例为狄拉克半金属薄膜覆盖在带有缓冲层的介质基底上。图1给出了结构在yoz平面内的示意图,从下到上分别是介质基底、介质缓冲层、狄拉克半金属薄膜和运动电子，该结构的制作加工也遵循从下到上的原则。首先选取在太赫兹波段常用的介质基底材料，然后在基底材料上旋涂市面上可以购买的常见有机缓冲层，并用甩胶机将旋涂胶甩匀，再在缓冲层上用化学汽相淀积生长狄拉克半金属薄膜。缓冲层厚度通过改变甩胶机的转速控制。狄拉克半金属薄膜的厚度由生长时间控制。

狄拉克半金属薄膜上下表面电荷发生强烈耦合，使得spps色散产生分裂形成对称模和非对称模，非对称模spps能量因耦合而增强，导致其波矢能与基底中传输波波矢匹配，由阴极发射的运动电子掠过薄膜表面将激发起非对称模spps和对称模spps，非对称模spps能够直接转化为相干太赫兹辐射，如图2和图3中b所示。对称模spps的能量因耦合而降低，在没有缓冲层时，spps波矢是永远大于介质基底中的传输波波矢。存在缓冲层时，对称模spps能量可通过降低缓冲层介电常数来增强，当缓冲层介电常数比基底介电常数小时，对称模表面等离子体波波矢可与基底中传输波波矢匹配，从而由运动电子激发起的对称表面等离子体波也能够直接转化为相干太赫兹辐射，如图2和图3中a所示。

辐射功率被狄拉克半金属spps提高了两到三个数量级。辐射功率密度能达到6.7×10⁴w/cm²，与石墨烯spps转化为太赫兹辐射的功率密度相当。结构尺寸在平方厘米量级情况下，该辐射源产生的辐射功率已能满足实际应用对太赫兹源辐射功率的要求。改变狄拉克半金属化学势和电子速度可在太赫兹频段内调谐辐射频率，图4证明了这点。

前面已经描述本发明的一个具体实施例，应该理解这只是以一种示例形式被提出，并无限制性。因此，在不脱离本发明精神和范围的情况下可以作出多种形式上和细节上的变更，这对于熟悉本技术领域的技术人员是显而易见的，无需创造性劳动。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。