基于藍色激光的氧化銦太赫茲透射特性研究

趙碩穎 王國陽 蘇波

摘要：氧化銦是寬禁帶半導體材料，本文在室溫下用藍色激光照射氧化銦薄膜，利用THz-TDS系統研究了藍色激光入射角度相同但激光強度不同和藍色激光強度相同但激光入射角度不同兩種情況下氧化銦薄膜的太赫茲透射特性。發現當藍色激光入射角不變時，氧化銦薄膜的太赫茲透射強度隨著激光強度的增加而逐漸減小;當藍色激光光強不變，氧化銦薄膜的太赫茲透射強度隨著激光入射角的增大而緩慢減小。將藍色激光和氧化銦相結合，為太赫茲波的調制提供了一種新的方法。

關鍵詞：氧化銦薄膜;太赫茲;藍色激光;透射特性

1 緒論

太赫茲（THz）波是指頻率范圍在0.1—10THz，波長在003—3mm之間的電磁波，在整個電磁波譜中居于微波與紅外光波之間。太赫茲波具有瞬態性、寬帶性、穿透性和光子能量低等一系列獨特性質，在材料研究、信息傳遞、國防安全、醫療服務等方面有著非常重要的作用[1]。

隨著太赫茲技術的發展，目前已經實現了不同的太赫茲調制方式，包含等離子體器件、超材料、調制器、吸收器、濾波器等[2-6]。氧化銦是寬禁帶半導體材料，具有良好的導電性和較高的可見光透過率，也能夠強烈反射紅外光和吸收紫外光，但其對于藍色激光的響應目前還沒有相關的報道[7]。

本文利用THz-TDS系統，在室溫下研究了藍色激光入射角度相同但激光強度不同和藍色激光強度相同但激光入射角度不同兩種情況下氧化銦薄膜的太赫茲透射特性，為太赫茲波的通信以及信息存儲提供了一種可行的方法。

2 實驗系統與實驗內容

2.1 THz-TDS實驗系統

本實驗選取如圖1所示的自主搭建的透射式THz-TDS實驗系統，光源是自鎖模光纖飛秒激光器。其輸出的激光經偏振分光棱鏡后被分為兩束光，一束光作為泵浦路，經機械平移臺被耦合進光纖式光電導天線，由該天線產生太赫茲波;另一束光作為探測路，被耦合進光纖式光電導天線，由該天線探測太赫茲波。將氧化銦薄膜置于兩天線的中間，太赫茲產生天線發射太赫茲波，太赫茲波透過氧化銦薄膜后，由探測天線接收并輸入鎖相放大器進行放大，然后利用計算機進行數據采集和處理，得到相應的時域波形，然后對其進行傅里葉變換，得到更加豐富的頻域信息[8]。

2.2 氧化銦薄膜樣品

氧化銦是重要的n型透明金屬氧化物半導體材料，氧化銦的禁帶寬度較大，并且具有高的電子遷移率和對可見光高透的特性。另外，藍色激光的能量高于氧化銦的帶隙，因此藍色激光可以在氧化銦薄膜中以較低的能量產生大量的載流子。

本實驗將氧化銦納米顆粒（10nm）溶解于乙醇溶液中，然后覆于石英襯底上，最后進行退火處理而制得。

2.3 實驗過程

在溫度為22℃的條件下，先測量未放樣品時的信息參數，隨后將氧化銦薄膜置于THz-TDS系統中，調整樣品位置，使樣品處于THz光束的焦點處。將藍色激光聚焦照射于氧化銦薄膜上并固定激光入射角（樣品法線與激光方向夾角），通過調節藍色激光器的輸入電壓來控制其輸出功率，在功率分別為0mW、5.4mW、71.6mW、129.9mW、229.5mW、2905mW和388.9mW的情況下對氧化銦薄膜進行太赫茲透射測量。另外，將藍色激光的強度固定，使其輸出功率為129.9mW，改變藍色激光的入射角，在入射角分別為17.5°、24.4°、33.0°、38.0°和71.5°的情況下對氧化銦薄膜進行太赫茲透射測量。

2.4 實驗結果與數據分析

固定激光入射角，通過調節藍色激光器的輸入電壓來控制其輸出功率，將所測信號進行傅里葉變換，得到在不同強度藍色激光照射下氧化銦薄膜的頻域譜如圖2所示，可以發現隨著藍色激光強度的增加，氧化銦薄膜的太赫茲透射量逐漸減小。該現象產生的原因為：在藍色激光照射之前，氧化銦薄膜表面有很多氧缺陷，這些缺陷會吸附空氣中的氧分子，被吸附的氧分子捕獲氧化銦中的自由電子并在薄膜表面形成低導電性耗盡層;在藍色激光照射之后，氧化銦薄膜內部會產生電子-空穴對，作為強氧化劑，空穴會化學中和吸附在氧缺陷中的氧離子。氧離子從表面被光解吸，電子釋放到導帶。因此，在表面陷阱態達到飽和之前，氧化銦薄膜對太赫茲的吸收顯著增加[9]。而隨著藍色激光強度的增加，氧化銦薄膜產生的電子-空穴對數量增多，因此氧化銦薄膜對太赫茲的吸收增加。

固定藍色激光的強度，使其輸出功率為129.9mW，改變藍色激光的入射角，將所測信號進行傅里葉變換，得到在不同入射角的藍色激光照射下氧化銦薄膜的頻域譜如圖3所示，可以發現隨著藍色激光入射角的增大，氧化銦薄膜的太赫茲透射強度緩慢減小。該現象產生的原因為：隨著藍色激光入射角的增大，氧化銦薄膜產生的電子-空穴對增多，因此氧化銦薄膜對太赫茲的吸收增加。

3 結論

本文利用THz-TDS系統研究了氧化銦薄膜的太赫茲透射特性，在室溫下研究發現：固定藍色激光入射角，隨著藍色激光強度的增大，氧化銦薄膜的太赫茲透射強度逐漸減小;固定藍色激光光強，隨著激光入射角度的增大，氧化銦薄膜的太赫茲透射強度緩慢減小。產生該現象的原因大致為：隨著藍色激光強度增大或激光入射角度的增大，氧化銦薄膜產生的電子-空穴對增加，從而對太赫茲的吸收變大，透射減少。所以，將藍色激光和氧化銦薄膜相結合，通過激光強度和角度的變化實現對太赫茲波的調制，在太赫茲通信和信息存儲等領域具有廣泛的應用前景。

致謝：感謝首都師范大學物理系張波老師提供的氧化銦樣品。

參考文獻：

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