超灵敏光泵浦调制技术优化方案

接下来,用532 nm的连续激光照射样品进行光泵浦调制的研究。样品上的照射面积为13.02 mm2,比THz波在样品上的光斑要大一些。可以从图4.32(a)和图4.32(b)看到,当用极低的泵浦光功率辐射样品时,样品1和样品2对THz波已经有了较为明显的调制效果。随着泵浦光功率逐渐增加到0.24 W/cm2,太赫兹波振幅不断下降。对于样品1来说,其太赫兹时域光谱的峰值从0.69下降到0.23,样品2的峰值从0.73下降到0.46。显然,在相同的光泵浦条件下,样品1对THz波的调制更加有效。此外,如图4.32(c)所示,在相同泵浦光功率下,硅基底对THz波的调制相对较弱,其太赫兹时域光谱的峰值仅从0.75下降到0.67。因此,在相同泵浦光功率下,与硅基底相比,生长二硫化钼纳米晶的硅对THz波的调制能力增强了很多。

可以根据测量的太赫兹时域光谱计算其对应的频域透射光谱,以空气中传输的信号为参考信号：

式中,E ref(ω)为对空气参考信号进行傅里叶变换后的振幅强度;E sam(ω)为对样品信号(施加或不加泵浦光)进行傅里叶变换后的振幅强度。如图4.32(d)所示,在没有泵浦光的情况下,在0.2~1 THz内,样品1的透过率略低于样品2,两个样品的透过率均略低于硅基底,但总体来说对THz波的吸收较小。当泵浦光功率增加时,所有样品对THz的透过率都开始下降,但是下降的程度不一样。例如,对于频率为0.6 THz的THz波,没有光泵浦时样品1、样品2和硅基底的透过率分别为0.53、0.56和0.58,而当泵浦光功率增加到0.24 W/cm2时,样品1、样品2和硅基底的透过率分别下降到0.13、0.31和0.49。显然,样品1的透过率下降得最多,也就是样品1对频率为0.6 THz的THz波调制最深。

图4.32　(www.xing528.com)

(a～c)不同泵浦光功率辐照下,样品1、样品2和硅基底的THz TDS信号(振幅以空气信号强度归一化);(d)样品1、样品2和硅基底的透射光谱;(e)硅基底、样品1和样品2的调制深度;(f)在同样的光泵浦条件下,生长在蓝宝石基底上的二硫化钼纳米晶的太赫兹时域光谱[10]

用式(4.7)来计算样品对THz波的调制深度：

式中,t i和t 0分别为有光辐照和没有光辐照时的透射强度。图4.32(e)显示了三种样品的调制深度,其中样品1的平均调制深度在75%左右,是硅基底的5倍以上。同时,样品2的平均调制深度为45%,也比硅基底要高得多。

因此,在没有生长二硫化钼纳米晶时,硅基底的调制深度非常低。在硅基底上生长了二硫化钼纳米晶后,器件在相同的泵浦光功率下的调制深度会大大增加。此外,实验结果还表明,在硅基底上生长更多的二硫化钼纳米晶,在相同的泵浦光功率下对THz波的调制效率也会更高。另外,还有一个需要说明的现象是,生长在蓝宝石基底上的二硫化钼纳米晶在同样的光泵浦条件下对THz波并没有明显的调制效果,如图4.32(f)所示。