太赫兹（terahertz，THz）波是指频率范围为0.1～10 THz，波长范围为30 µm～3 mm的电磁辐射^[1-2]。太赫兹辐射具有光子能量低、频谱宽、对非极性介电材料透过性良好以及特征指纹谱丰富等优点，在无损检测、医学成像和无线通信等方面都有非常广泛的应用^[3-5]。太赫兹应用的关键技术是太赫兹波的产生和检测，光电导天线（photoconductive antenna，PCA）具有频带宽、可在室温下工作、体积小和易于集成等特点，是目前太赫兹系统中使用最为广泛的发射和检测器件^[6-7]。随着太赫兹技术的不断发展，对光电导天线太赫兹辐射源的辐射效率和波束方向性提出了更高要求。近年来，对光电导天线的电极结构、发射材料、泵浦方式，特别是集成超材料/超表面^[8-9]以提高泵浦光与光电导材料的相互作用强度，进行了大量的研究来提高天线的性能，包括发射效率、频带宽度和波束质量^[10-12]。

为了提高光电导天线的辐射方向性^[13]和辐射效率，通常在光电导天线背侧装配半球或者超半球的高阻硅透镜^[14]，以解决高折射率平面构型电磁辐射逃逸角小和波束发散角大的问题。对于低温生长GaAs^[15]光电导天线来说，采用折射率相近的高阻硅透镜能够最大限度减小电磁辐射在衬底和透镜界面处的反射。然而，太赫兹光电导天线所使用的硅透镜因球形曲面与标准半导体平面工艺不兼容，无法直接集成在光电导天线上，因此在装配过程中存在与光电导天线的对准^[16]问题。同时，在应用中即使二者匹配良好，如果泵浦光斑偏离透镜旋转对称轴，还会导致辐射效率降低和波束指向偏离等问题。对该问题进行研究有助于提高光电导天线太赫兹辐射源的性能。本文使用GaAs基肖特基二极管检波器对天线辐射波束二维截面进行电控机械扫描成像，通过与天线不同距离的辐射截面光斑图对比，可获得光电导天线上太赫兹光斑偏离透镜对称轴的距离与太赫兹波束偏转角的定量关系。据此，当二者出现偏移时，可以进行有效的调整。通过CST电磁仿真，采用与实验中所使用光导天线相同的结构，模拟光电导天线上光斑偏移对辐射波束的影响，得到了与实验相符的结果，进一步验证了实验结果。

首先对光电导天线的电学特性进行表征。实验中使用的光电导天线太赫兹发射源为带状线金属电极结构^[17]（TERAVIL，EMT-8），泵浦飞秒激光脉冲宽度小于100 fs，中心波长为780 nm，平均输出功率大于100 mW。与偶极子天线^[18]、蝶形天线^[19]相比，带状天线由于其结构特点，在平行于电极方向对于飞秒激光光斑激发位置的限制并不严格。在平行于电极方向上，将泵浦光斑在3000 µm范围内移动时，天线光电流最大值无明显变化。为确定飞秒激光光斑位置对光电导天线光电流的影响，采用如图1（a）所示的装置，测量飞秒激光照射到电极缝隙处不同位置时的光电流。

图 1

Figure 1

图 1 实验装置示意图 Figure 1 Schematic diagram of experimental apparatus

泵浦飞秒激光经过一个分束立方和聚焦透镜后照射在天线间隙，聚焦光斑的直径约为2.5 µm。天线固定在机械可调二维平移台上，通过移动天线可以改变光斑照射在天线上的位置。图1（a）中，左侧的分束立方将天线和光斑图像反射到右侧光路中，通过聚焦透镜成像到CCD相机上，方便观察光斑形态和位置，右侧的分束立方体将照明光源发出的照明光反射到器件上，对整个光路以及天线和光斑起到照明作用，使图像清晰便于观察。

通过数字源表（Keithley 2400）向光电导天线施加30 V的偏置电压，泵浦飞秒激光激励光电导天线产生光电流。经过5 kHz低通滤波器和前置电流放大器（Stanford SR570）放大后，输入锁相放大器（Stanford SR830）进行锁相放大，采用LabVIEW软件编程读取并记录。使用斩波器对飞秒激光进行调制，调制频率设置为60 Hz，从斩波器引出60 Hz的参考信号并输入锁相放大器。使用电控二维平移台（GSC−02）带动天线移动，使光斑在光电导天线间隙扫过一个100 µm×100 µm的区域，移动步长为1 µm。记录光斑位置和锁相放大器输出的光电流数据，得到光斑照射天线间隙不同位置时产生的光电流大小的伪彩色图，结果如图2所示。

图 2

Figure 2

图 2 光电流扫描强度分布图 Figure 2 Scanning images of photocurrent distribution

图2（a）为未使用锁相放大器的情况下，直接用数字源表（Keithley 2400）输出电流值得到的电流强度分布图，出现自下而上扫描时电流强度逐渐增大的情况，这是由于低温生长的砷化镓中深能级对空穴（电子）的俘获所导致的结果，空穴（电子）被俘获导致电子（空穴）浓度增大，从而产生持续光电导效应，使电流呈现逐渐增大的趋势。因此，使用斩波器对激光进行调制，再用锁相放大器对瞬态交流光电流信号进行放大，可以避免上述直流电流信号造成的影响，结果如图2（b）所示。通过右侧扫描图与对应的天线区域（图中虚线所勾出的黄色阴影部分为天线的带状线金属电极）按相同比例对应起来可以得出结论：光斑照射在阳极一侧平行电极的区域产生的光电流较大，说明光生电子的有效质量小，迁移率高，在光电流中占比更高，对太赫兹辐射的贡献也更高。从图2（b）可以看出，当泵浦光光斑大小与光电导天线缝隙相近时，如果其在沿着电极方向发生偏移，其光电流变化不大，产生的太赫兹辐射强度变化也不大，但如果其偏离高阻硅透镜的旋转对称轴，则会导致出射太赫兹波束发生偏移。

在研究太赫兹辐射中心与硅透镜的对准对太赫兹辐射的影响时，需要对光斑位置进行监控，以避免光斑移动对实验扫描结果产生影响。用Keithley 2400数字源表向天线施加偏置电压，调节飞秒激光光斑打在光导天线间隙的位置，使输出的光电流达到最大，通过图2（b）的光电流扫描强度分布图可以得出，光斑在垂直电极方向的位置基本固定，监控其在平行电极方向的位置，搭建与图1（a）光电流扫描系统相同的成像光路来观察光斑位置。

确定光斑位置后，进行天线辐射波束的扫描实验。本文研究太赫兹辐射中心与透镜的对准程度对波束辐射效率和方向性影响的光路系统如图1（b）所示，发射天线及其左侧光路与太赫兹时域光谱系统^[20]的泵浦光路相同，激光器出射中心波长为780 nm，脉冲宽度小于100 fs，平均输出功率大于100 mW的飞秒激光，光路中设置衰减片以减小入射到光电导天线上的激光光强，从而保证入射光强小于光电导天线的损伤阈值。经过衰减片后，平均泵浦功率约为18 mW。同时用光学斩波器对泵浦光进行调制，采用交流耦合方式获取检波器的太赫兹辐射响应，以屏蔽直流背景信号。在整个实验中，发射天线施加30 V的偏置电压，通过成像光路观察并调整飞秒激光光斑照射在天线间隙的位置，使光电流达到最大。在发射天线辐射出口处安装电控二维平移台，将GaAs基肖特基二极管检波器（检测频率范围为75～110 GHz）固定在二维平移台上，以扫描光导天线辐射的THz波束。

使用Keithley 2450数字源表给检波器施加5 V偏压。通过LabVIEW软件和GSC−02电机自动控制平移台移动，设置平移台的移动范围、步长和步数，使检波器扫描以发射天线为中心的5 cm×5 cm区域。为了保证扫描时间不会过长且扫描精确度足够高，实验中设置平移台在X、Y轴方向上分别移动50步，步长为1 mm，并前后移动检波器，扫描与发射天线不同距离的辐射波束二维截面图。不同区域辐射强度变化会引起检波器的电流变化，通过LabVIEW软件编程记录位移台每移动一步时Keithley 2450数字源表中检波器的电流值，并将记录的数据绘制成伪彩色图，即可观察发射天线辐射的光斑强弱分布。通过对比前后不同距离扫描截面的光斑分布情况，可以分析天线的辐射方向性。将光电导天线衬底中心与硅透镜表面圆心在同一轴上的状态定义为天线和透镜的完全对准状态，实验中保持其相对位置不变，通过二维平移台移动天线位置，使激光光斑在天线间隙平行电极方向上左右移动，从而改变太赫兹辐射中心与硅透镜的相对位置。对光电导天线光电流最大时，激光光斑位置以及光斑发生偏移时进行扫描，结果如图3所示。

图 3

Figure 3

图 3 光电导天线太赫兹辐射光束二维截面扫描图 Figure 3 Two-dimensional scanning images of terahertz beam radiated from the photoconductive antenna

图3（a）和（b）为光斑位于使光电导天线光电流最大位置处（即硅透镜的旋转对称轴上），肖特基检波器分别距光电导天线辐射出口0.2 cm和1.2 cm处扫描得到的辐射光斑图。通过对比两光斑图的位置和大小，可看出此时光斑基本准直向前辐射，且随着扫描截面与天线距离的增大，辐射强度略有下降。图3（c）和（d）为激光光斑相对于硅透镜旋转对称轴偏移300 µm时，距离光电导天线辐射出口0.2 cm和1.2 cm扫描所得的辐射波束的光斑。与完全对准状态相比，波束光斑位置向激光光斑相反方向偏移（因扫描起点在光导天线右下角，所以辐射图沿纵轴旋转180°即可与天线实际辐射相对应），且随着与天线的距离增大，强度下降更多一些。图3（e）和（f）为激光光斑向硅透镜对称轴另一侧偏移时，扫描得到的在不同距离处辐射波束截面的光斑图。此时辐射波束光斑与完全对准状态相比，仍然向激光光斑相反的方向偏移，强度下降也较多。分析表明，当激光光斑相对于硅透镜旋转对称轴发生偏移时，太赫兹辐射中心与透镜的相对位置发生变化，导致太赫兹波束会向偏移的反方向辐射。上述辐射扫描光斑图按相同的大小比例与天线相对应，如图3（a），图中黑色虚线表示光导天线辐射太赫兹波的圆孔，便于直观观察波束辐射的准直与偏移。

通过（computer simulation technology，CST 2018）电磁仿真软件^[21]对实验进行了模拟，在两电极间设置离散端口的激励，边界条件均设为“Open”，仿真频率设置为0.09～0.11 THz，在检波器检测频率范围内且仿真时间较短。分别对太赫兹辐射中心相对于硅透镜对称轴在对准位置以及在X轴方向上正负偏移300 µm情况下的光导天线辐射进行仿真。监视器设置在0.095 THz的模拟结果如图4所示。

图 4

Figure 4

图 4 天线辐射仿真图 Figure 4 Antenna radiation simulation

由图4（a）和（d）可以看出，当太赫兹辐射中心与透镜对称轴完美对准时，太赫兹波束水平向透镜方向辐射，未发生偏移，实现了高指向性的辐射模式；图4（b）和（e）为太赫兹辐射中心在X轴正方向偏移300 µm时的辐射方向图，通过图4（b）的电场辐射图可以看出，太赫兹波束向X轴负方向发生偏移，图4（e）远场辐射图辐射主瓣方向也相应发生了偏转；图4（c）和（f）为太赫兹辐射中心向X轴负方向偏移300 µm的电场辐射图和远场辐射图，模拟的结果与图4（b）和（e）完全相反。通过测量得出光电导天线辐射孔的大小为1.7 cm，根据图3（c），当太赫兹辐射中心相对于透镜对称轴偏移300 μm时，按照图与实际比例可计算出光斑大约偏移了0.65 cm。进一步测量光电导天线的太赫兹辐射中心到二维截面的距离约为2.3 cm，因此通过计算光斑偏移量与辐射中心到二维截面距离的反正切值，可得出实验中太赫兹波束的偏转角度为15.8°。通过图（e）远场辐射图可以直接得到，当太赫兹辐射中心与硅透镜对称轴发生偏移时，仿真模拟的主瓣偏移度数为15°，实验和仿真中太赫兹辐射中心和硅透镜对称轴偏移距离及偏转角度的对应关系如图5所示。由此可知，几种不同对准情况的仿真模拟结果与实验结果高度一致。

图 5

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图 5 THz辐射中心相对透镜对称轴偏移距离与电磁波束偏移角度关系 Figure 5 The relationship between the offset distance of the THz radiation center relative to the symmetry axis of the lens and the offset angle of the THz beam

实验研究了光电导天线的太赫兹辐射中心与透镜旋转对称轴的偏移对太赫兹波束辐射的影响。结果表明，在低频段，当太赫兹辐射中心与硅透镜完美对准时，飞秒激光激励天线产生最大光电流，发射天线会最大程度地向所需方向辐射太赫兹波，且随着传播距离的增大，波束强度损耗较小；当激光光斑沿平行电极方向左右移动时，相当于太赫兹辐射中心相对于硅透镜对称轴发生偏移，光斑相对于硅透镜对称轴向左移动时，产生的太赫兹波束向右偏移；光斑相对于硅透镜对称轴向右移动时，产生的太赫兹波束则向左偏移。通过CST电磁仿真模拟了太赫兹辐射中心与硅透镜对称轴的偏移对太赫兹辐射的影响，得到的结果与实验相符，表明太赫兹辐射中心相对于透镜发生偏移会导致太赫兹波束向相反方向偏转。

本文通过研究太赫兹辐射中心和透镜中心的对准程度对光导天线波束辐射产生的影响，对实际应用中判断光电导天线衬底和透镜的对准与否，以及如何调节使其达到完美对准提供了指导。解决了光导天线硅透镜与衬底偏移时，产生的太赫兹辐射波束不能最大程度的在所需要的方向上传播，导致效率降低的问题。