【摘要】：高溫超導本征約瑟夫森結陣(Bi_2Sr_2CaCu_2O_8單晶)制備了成的超導太赫茲輻射源因其特殊的器件特性,如其輻射波為連續(xù)波、輻射頻率連續(xù)可調(diào)、頻段適中、功率可觀等,而越來越受到研究人員的關注,也有望成為適合實際應用的連續(xù)波太赫茲輻射源,并促進太赫茲技術的發(fā)展。在對超導太赫茲輻射源的研究過程中,我們在國際上首創(chuàng)了集成超導太赫茲輻射源輻射特性測試和低溫掃描激光顯微鏡成像測試的綜合測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)可同時檢測超導太赫茲輻射源的外部輻射特性和器件內(nèi)部的電磁能量分布以及溫度分布。此套測試系統(tǒng)極大地幫助我們加深了對超導太赫茲輻射源器件物理的理解,并幫助改進超導太赫茲輻射源的設計、提升超導太赫茲輻射源的性能。利用該綜合測試系統(tǒng),我們研究了輻射源器件的輻射特性與器件內(nèi)部電磁駐波的關系。在器件輻射功率達到峰值時,我們在器件內(nèi)部測得了滿足諧振模式與頻率關系的駐波圖案,得出了器件中電磁諧振增強輻射功率的結論。在通過綜合測試系統(tǒng)理解了輻射源的器件物理后,我們針對實際應用的需求,設計和制備了原創(chuàng)結構的超導太赫茲輻射源,同時也提出了改善太赫茲輻射源輻射特性的外部調(diào)節(jié)技術。針對實際應用對太赫茲輻射源提出的調(diào)控需求,我們設計了 "三端-獨立"結構超導太赫茲輻射源。有別于傳統(tǒng)的超導太赫茲輻射源,該種結構的超導太赫茲輻射源具有三個電極。采用特殊的電流偏置方式,能夠在超導太赫茲輻射源內(nèi)部產(chǎn)生可以移動的高溫熱區(qū)。通過控制輻射源內(nèi)部高溫熱區(qū)的位置,在總偏置電流固定的情況下,輻射頻率可調(diào)范圍為8%;在電流偏置比例固定的情況下,輻射頻率可調(diào)范圍為10%-20%。因此,通過這種器件結構,我們實現(xiàn)了調(diào)控超導太赫茲輻射源輻射特性的目的。此外,受器件焦耳熱產(chǎn)生的高溫熱區(qū)能影響超導太赫茲輻射源輻射特性這一特殊物理現(xiàn)象的啟發(fā),我們提出了使用外部熱源激勵輻射源器件,進而調(diào)諧輻射源輻射特性的調(diào)控方案。我們采用聚焦的激光束來調(diào)控輻射源器件后,輻射源的功率可在100%-175%之間連續(xù)調(diào)節(jié)。通過研究激光束調(diào)控后的輻射功率與激光的位置以及激光光強等因素之間的關系,我們得到了聚集激光束作為額外熱源對超導太赫茲輻射源的調(diào)控機制,并能可控地使用激光束調(diào)諧超導輻射源。綜上,通過設計、搭建原創(chuàng)的測試系統(tǒng),我們研究了超導太赫茲輻射源中的多種物理現(xiàn)象,并由此提出、實現(xiàn)了創(chuàng)新結構的超導太赫茲輻射源器件和創(chuàng)新的太赫茲輻射源的外部調(diào)諧方案,以滿足實際應用對太赫茲輻射源調(diào)控方面的需求。
[Abstract]:The superconducting terahertz radiation source prepared by high temperature superconducting intrinsic Josephson junction array (Bi_2Sr_2CaCu_2O_8 single crystal) is suitable for its special device characteristics, such as continuous wave, continuously adjustable radiation frequency and moderate frequency range. Because of its considerable power, researchers are paying more and more attention to it, which is expected to be a continuous wave terahertz radiation source suitable for practical application, and to promote the development of terahertz technology. In the process of studying superconducting terahertz radiation source, we have created a comprehensive testing system which integrates the radiation characteristics of superconducting terahertz radiation source and the low-temperature scanning laser microscope imaging test. The system can simultaneously detect the external radiation characteristics of the superconducting terahertz radiation source and the electromagnetic energy distribution and temperature distribution inside the device. This test system has greatly helped us to deepen our understanding of the physics of superconducting terahertz radiation sources and to improve the design of superconducting terahertz radiation sources and improve the performance of superconducting terahertz radiation sources. Using the integrated measurement system, we study the relationship between the radiation characteristics of the radiation source devices and the electromagnetic standing waves inside the devices. When the radiation power of the device reaches the peak, the standing wave pattern satisfying the relationship between the resonant mode and the frequency is measured in the device, and the conclusion of the electromagnetic resonance enhanced radiation power in the device is obtained. After understanding the device physics of the radiation source through the comprehensive test system, we designed and fabricated the superconducting terahertz radiation source with original structure according to the practical application demand. At the same time, the external regulation technology to improve the radiation characteristics of terahertz radiation source is also proposed. In order to meet the requirements of practical applications for the regulation of terahertz radiation sources, we have designed a "three-terminal independent" superconducting terahertz radiation source. Different from the traditional superconducting terahertz radiation source, the superconducting terahertz radiation source has three electrodes. By using special current bias, a movable high temperature heat region can be generated in the superconducting terahertz radiation source. By controlling the position of the high temperature heat region inside the radiation source, the radiation frequency can be adjusted in the range of 8 when the total bias current is fixed, and in the case of fixed current bias ratio, the adjustable range of the radiation frequency is from 10 to 20. Therefore, through this device structure, we can control the radiation characteristics of superconducting terahertz radiation source. In addition, inspired by the special physical phenomenon that the high temperature heat region produced by the Joule heat of the device affects the radiation characteristics of the superconducting terahertz radiation source, we propose to use an external heat source to excite the radiation source device. And then tuning the radiation characteristics of the radiation source control scheme. After the focused laser beam is used to control the radiation source device, the power of the radiation source can be continuously adjusted between 100% and 175%. By studying the relationship between the radiation power of the laser beam and the position of the laser and the intensity of the laser, we obtained the mechanism of the superconducting terahertz radiation source by using the aggregated laser beam as an additional heat source. The laser beam can be used to tune the superconducting radiation source. In summary, by designing and building an original testing system, we have studied various physical phenomena in superconducting terahertz radiation sources, and put forward that, The novel superconducting terahertz radiation source device and the innovative terahertz radiation source external tuning scheme are realized to meet the requirements of practical application in the regulation of terahertz radiation source.
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O551;O441.4

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本文編號：2404552