Improvement of air breakdown limit in photoconductive antennas by surface passivation for intense terahertz generation.

Peng, Xiaolei (2022). Improvement of air breakdown limit in photoconductive antennas by surface passivation for intense terahertz generation. Mémoire. Québec, Maîtrise en sciences de l'énergie et des matériaux, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, 92 p.

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Résumé

Les ondes électromagnétiques térahertz (THz), situées entre les micro-ondes et les infrarouges, constituent une région spectrale intéressante pour l'imagerie, la communication, les diagnostics médicaux et d'autres applications. Cependant, la portion THz du spectre électromagnétique est restée l'une des dernières frontières de l'optique qui a été exploitée récemment dans l'industrie. En effet, la technologie permettant de générer et de détecter efficacement les ondes THz a été difficile à mettre au point, car elle nécessite soit une électronique de pointe et extrêmement rapide, soit une photonique avec de grande longueur d'onde. Une antenne photoconductrice (APC) est généralement composée d'un substrat semi conducteur de haute résistivité avec deux électrodes déposéessur une face du substrat. Les APCs sont largement utilisées pour générer des ondes THz car elles peuvent démontrer une efficacité de conversion optique-THz élevée lorsqu'elles fonctionnent à température ambiante. Cette thèse vise à développer des sources THz intenses en utilisant les APCs. Au Laboratoire de Sources Femtosecondes (LSF), les antennes photoconductrices à grande ouverture (APCGOs) basées sur un cristal de ZnSe ont déjà été développées. Cette source utilise une énergie laser de 20 mJ pour générer des impulsions THz en espace libre avec une énergie allant jusqu'à 8.3 µJ. La principale limite de cette source THz intense est que le champ de polarisation maximum appliqué (qui détermine l’intensité maximale de l’onde THz maximum rayonnée) est toujours limité en pratique par la force diélectrique de l'air. Nous avons surmonté la limite du claquage de l'air par la méthode de passivation de surface, ouvrant ainsi la voie à la génération d'un rayonnement THz intense. Plus précisément, l'antenne est recouverte d'une couche diélectrique faite à partir de résine époxy. Cette dernière ayant une force diélectrique plus élevée que celle de l’air, nous pouvons appliquer des champs de polarisation plus élevés, et donc générer un rayonnement THz plus intense. Nous avons démontré que le champ de polarisation maximum appliqué augmente de plus de 2.2 fois en utilisant la méthode de passivation de surface. En outre, même avec un champ de polarisation identique, le champ électrique de crête du rayonnement THz généré augmente de plus de 1.37 fois après avoir revêtu l'APC par la couche d'époxy. Nous avons également démontré qu'après avoir recouvert la surface de l'APC de GaAs avec la couche d'époxy, la fluence optique irradiant la surface de GaAs augmente, ce qui entraîne l'augmentation du champ électrique THz généré.

Terahertz (THz) electromagnetic waves, located between microwaves and infrared waves, provide an attractive spectral region for imaging, communication, medical diagnostics and other applications. However, the THz portion of the electromagnetic spectrum has remained one of the last frontiers in optics, having only recently been exploited in the industry. This is because the technology for the efficient generation and detection of THz radiation has been difficult to develop, as it requires either extremely fast electronics or long-wavelength photonics. A photoconductive antenna (PCA) is typically composed of a high resistivity semiconductor substrate with two electrodes fabricated on one face of the substrate. PCAs are widely used to generate THz radiation because they can demonstrate high optical-to-THz conversion efficiency when operating at room temperature. Since their demonstration as practical THz sources and detectors, PCAs have been the subject of a vast number of scientific and industrial reports investigating their application as THz transmitters and receivers. This thesis aimsto develop intense THzsources using PCAs. At the Advanced Laser Light Source (ALLS), large aperture photoconductive antennas (LAPCAs) based on ZnSe crystal have already been developed. This source uses 20 mJ laser energy to generate free space THz pulses with energy up to 8.3 ± 0.2 µJ. The main limitation of the ZnSe-based intense THz source is that the maximum applied bias field (which determines the maximum radiated THz field) is still limited in practice by air breakdown. We overcome the air breakdown limit by the surface passivation method, opening the road to generate intense THz radiation. More precisely, the antenna is covered with a dielectric layer of epoxy resin to avoid air breakdown, which allows higher bias fieldsto be applied, thus potentially generating THz radiation with higher peak electric fields. We demonstrate that the maximum applied bias field increases more than 2.2 times by using the surface passivation method. Further, even with the same bias field, the peak electric field of the generated THz radiation increases more than 1.37 times after covering the PCAs with an epoxy layer. We demonstrate that after covering the GaAs PCA with the epoxy coating, the optical fluence irradiating the GaAs surface increases, leading to the increase in the generated THz electric field.

Type de document:	Thèse Mémoire
Directeur de mémoire/thèse:	Ozaki, Tsuneyuki
Mots-clés libres:	énergie; matériaux
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	07 déc. 2022 21:03
Dernière modification:	24 janv. 2023 15:21
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/13132

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