基于蓝色激光的氧化铟太赫兹透射特性研究

    赵硕颖 王国阳 苏波

    

    

    

    摘要：氧化铟是宽禁带半导体材料，本文在室温下用蓝色激光照射氧化铟薄膜，利用THz-TDS系统研究了蓝色激光入射角度相同但激光强度不同和蓝色激光强度相同但激光入射角度不同两种情况下氧化铟薄膜的太赫兹透射特性。发现当蓝色激光入射角不变时，氧化铟薄膜的太赫兹透射强度随着激光强度的增加而逐渐减小;当蓝色激光光强不变，氧化铟薄膜的太赫兹透射强度随着激光入射角的增大而缓慢减小。将蓝色激光和氧化铟相结合，为太赫兹波的调制提供了一种新的方法。

    关键词：氧化铟薄膜;太赫兹;蓝色激光;透射特性

    1 绪论

    太赫兹（THz）波是指频率范围在0.1—10THz，波长在003—3mm之间的电磁波，在整个电磁波谱中居于微波与红外光波之间。太赫兹波具有瞬态性、宽带性、穿透性和光子能量低等一系列独特性质，在材料研究、信息传递、国防安全、医疗服务等方面有着非常重要的作用[1]。

    随着太赫兹技术的发展，目前已经实现了不同的太赫兹调制方式，包含等离子体器件、超材料、调制器、吸收器、滤波器等[2-6]。氧化铟是宽禁带半导体材料，具有良好的导电性和较高的可见光透过率，也能够强烈反射红外光和吸收紫外光，但其对于蓝色激光的响应目前还没有相关的报道[7]。

    本文利用THz-TDS系统，在室温下研究了蓝色激光入射角度相同但激光强度不同和蓝色激光强度相同但激光入射角度不同两种情况下氧化铟薄膜的太赫兹透射特性，为太赫兹波的通信以及信息存储提供了一种可行的方法。

    2 实验系统与实验内容

    2.1 THz-TDS实验系统

    本实验选取如图1所示的自主搭建的透射式THz-TDS实验系统，光源是自锁模光纤飞秒激光器。其输出的激光经偏振分光棱镜后被分为两束光，一束光作为泵浦路，经机械平移台被耦合进光纤式光电导天线，由该天线产生太赫兹波;另一束光作为探测路，被耦合进光纤式光电导天线，由该天线探测太赫兹波。将氧化铟薄膜置于两天线的中间，太赫兹产生天线发射太赫兹波，太赫兹波透过氧化铟薄膜后，由探测天线接收并输入锁相放大器进行放大，然后利用计算机进行数据采集和处理，得到相应的时域波形，然后对其进行傅里叶变换，得到更加丰富的频域信息[8]。

    2.2 氧化铟薄膜样品

    氧化铟是重要的n型透明金属氧化物半导体材料，氧化铟的禁带宽度较大，并且具有高的电子迁移率和对可见光高透的特性。另外，蓝色激光的能量高于氧化铟的带隙，因此蓝色激光可以在氧化铟薄膜中以较低的能量产生大量的载流子。

    本实验将氧化铟纳米颗粒（10nm）溶解于乙醇溶液中，然后覆于石英衬底上，最后进行退火处理而制得。

    2.3 实验过程

    在温度为22℃的条件下，先测量未放样品时的信息参数，随后将氧化铟薄膜置于THz-TDS系统中，调整样品位置，使样品处于THz光束的焦点处。将蓝色激光聚焦照射于氧化铟薄膜上并固定激光入射角（样品法线与激光方向夹角），通过调节蓝色激光器的输入电压来控制其输出功率，在功率分别为0mW、5.4mW、71.6mW、129.9mW、229.5mW、2905mW和388.9mW的情况下对氧化铟薄膜进行太赫兹透射测量。另外，将蓝色激光的强度固定，使其输出功率为129.9mW，改变蓝色激光的入射角，在入射角分别为17.5°、24.4°、33.0°、38.0°和71.5°的情况下对氧化铟薄膜进行太赫兹透射测量。

    2.4 实验结果与数据分析

    固定激光入射角，通过调节蓝色激光器的输入电压来控制其输出功率，将所测信号进行傅里叶变换，得到在不同强度蓝色激光照射下氧化铟薄膜的频域谱如图2所示，可以发现随着蓝色激光强度的增加，氧化铟薄膜的太赫兹透射量逐渐减小。该现象产生的原因为：在蓝色激光照射之前，氧化铟薄膜表面有很多氧缺陷，这些缺陷会吸附空气中的氧分子，被吸附的氧分子捕获氧化铟中的自由电子并在薄膜表面形成低导电性耗尽层;在蓝色激光照射之后，氧化铟薄膜内部会产生电子-空穴对，作为强氧化剂，空穴会化学中和吸附在氧缺陷中的氧离子。氧离子从表面被光解吸，电子释放到导带。因此，在表面陷阱态达到饱和之前，氧化铟薄膜对太赫兹的吸收显著增加[9]。而随着蓝色激光强度的增加，氧化铟薄膜产生的电子-空穴对数量增多，因此氧化铟薄膜对太赫兹的吸收增加。

    固定蓝色激光的强度，使其输出功率為129.9mW，改变蓝色激光的入射角，将所测信号进行傅里叶变换，得到在不同入射角的蓝色激光照射下氧化铟薄膜的频域谱如图3所示，可以发现随着蓝色激光入射角的增大，氧化铟薄膜的太赫兹透射强度缓慢减小。该现象产生的原因为：随着蓝色激光入射角的增大，氧化铟薄膜产生的电子-空穴对增多，因此氧化铟薄膜对太赫兹的吸收增加。

    3 结论

    本文利用THz-TDS系统研究了氧化铟薄膜的太赫兹透射特性，在室温下研究发现：固定蓝色激光入射角，随着蓝色激光强度的增大，氧化铟薄膜的太赫兹透射强度逐渐减小;固定蓝色激光光强，随着激光入射角度的增大，氧化铟薄膜的太赫兹透射强度缓慢减小。产生该现象的原因大致为：随着蓝色激光强度增大或激光入射角度的增大，氧化铟薄膜产生的电子-空穴对增加，从而对太赫兹的吸收变大，透射减少。所以，将蓝色激光和氧化铟薄膜相结合，通过激光强度和角度的变化实现对太赫兹波的调制，在太赫兹通信和信息存储等领域具有广泛的应用前景。

    致谢：感谢首都师范大学物理系张波老师提供的氧化铟样品。

    参考文献：

    [1]黄晓园.基于LabVIEW的THz-TDS采集分析系统的设计与实现[D].电子科技大学，2018.

    [2]仝文浩，刘北云，杨炎翰，游聪娅，王保柱，睢丙东，袁瑞玚，张永哲.基于石墨烯材料的太赫兹波探测器研究进展[J].太赫兹科学与电子信息学报，2018，16（04）：588-594.

    [3]李爱云，刘凤收，王猛，王岳平，杨其利.基于超材料的太赫兹波段多频吸收器[J].激光杂志，2019，40（04）：28-30.

    [4]金浓，朱韵樵，申朝阳，杨青慧，张怀武，文岐业.硅基金字塔结构光控太赫兹调制器[J].太赫兹科学与电子信息学报，2019，17（02）：195-199.

    [5]李爱云，刘凤收，王猛，王岳平，杨其利.基于超材料的太赫兹波段多频吸收器[J].激光杂志，2019，40（04）：28-30.

    [6]俞越，周震，冯丽爽.可调谐超材料太赫兹多频带阻滤波器理论研究[J].半导体光电，2019，40（02）：193-199.

    [7]王晓玲.氧化铟基纳米纤维的制备及其光学性能研究[D].江南大学，2014.

    [8]张振伟，崔伟丽，张岩，张存林.太赫兹成像技术的实验研究[J].红外与毫米波学报，2006（03）：217-220.

    [9]Ji Hongyu，Wang Wei，Xiong Luyao，Liu Dandan，Lv Longfeng，Zhang Bo，Shen Jingling.Terahertz read-only multi-order nonvolatile rewritable photo-memory based on indium oxide nanoparticles[J].Applied Physics Letters，2019，114（1）：11105.