摘要:针对GaAs光电导开关快前沿正负对称脉冲输出特性的研究, 对提高飞秒条纹相机的时间分辨率具有重要意义. 本文使用脉宽为60 fs的激光器触发电极间隙为3.5 mm的GaAs光电导开关, 在不同的储能电容及外加偏置电压条件下, 获得具有上升时间最快为149 ps, 电压传输效率最高为92.9%的快前沿正负对称输出, 测试结果满足条纹相机实现飞秒时间分辨率的设计需求. 实验结果的对比分析表明, 储能电容是影响电压传输效率及上升时间的重要因素之一. 同时, 结合GaAs光电导开关线性工作模式特点及电容储能特性分析表明, 当触发激光特性相同时, 随着储能电容的增大, 输出电脉冲传输效率及上升时间均会增加. 研究结果将有助于GaAs光电导开关更好地应用于飞秒条纹相机中.
关键词: GaAs光电导开关/
正负对称脉冲/
快速上升时间/
储能电容

English Abstract

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GaAs光电导开关(photoconductive semiconductor switch, PCSS)是利用光电半导体材料GaAs与超快脉冲激光器结合形成的一种超快光电子器件^[1,2]. 相较于传统的半导体开关, GaAs PCSS器件具有响应速度快、耐压高以及光电隔离等特点^[3—5]. 当前GaAs PCSS器件的应用研究迅速发展, 在脉冲功率系统、精密同步控制系统、THz产生装置等方面都取得了实质性的进展^[6—9]. 在飞秒条纹相机的应用中, 由于GaAs PCSS具有极小的时间抖动及超快的时间响应, 已作为条纹相机中扫描电路的核心器件. 因此, 以基于GaAs PCSS的扫描电路为研究对象, 探究提高条纹相机的时间分辨率成为当前备受关注的研究内容^[10—12].
由于时间分辨率是条纹相机性能的重要指标, ****对提高时间分辨率的研究引起了广泛关注. Liu等^[13]利用GaAs PCSS为条纹相机提供正负对称电脉冲时, 可使条纹相机的时间抖动值减小到50 fs, 时间分辨率优于600 fs. 扫描电路作为条纹相机的重要组成部分, 决定了相机系统的时间分辨率及扫描速度. 为了改善条纹相机的性能, 这就要求扫描电路输出具有电压传输效率高(> 70%)、上升时间快(< 200 ps)的正负对称脉冲^[14]. 因此, 研究影响快前沿正负对称脉冲输出特性的因素, 具有重要的科学和应用价值.
本文基于GaAs PCSS设计了快前沿正负对称输出的扫描电路. 当使用不同储能电容时, 在不同的外加偏置电压下测试了快前沿正负对称脉冲输出特性. 通过计算载流子的倍增率, 指出GaAs PCSS工作在线性模式下. 同时, 实验结果表明在线性模式下, 当触发激光脉冲特性一定时, 储能电容也会对输出电脉冲的上升时间及传输效率产生影响, 此结论可为提高条纹相机的时间分辨率提供理论指导.

实验中使用横向结构的GaAs PCSS, 如图1所示. 半绝缘GaAs材料的暗态电阻大于5 × 10⁷ Ω·cm, 禁带宽度为1.43 eV, 电子的迁移率大于5000 cm²/(V·s), 载流子浓度为10¹⁴ cm^–3, 其本征击穿场强可达250 kV/cm. GaAs芯片的尺寸为宽8.0 mm, 长10.0 mm, 厚度0.6 mm. GaAs PCSS的电极采用刻蚀方法制作, 通过优化设计使得电场分别更均匀, 电极为135°圆角, 尺寸为6.0 mm × 3.5 mm, 圆角半径为1.1 mm, 电极采用Au/Ge/Ni合金制作而成, 与GaAs PCSS芯片材料形成了良好的欧姆接触.
图 1 GaAs PCSS结构图
Figure1. Schematic diagram of GaAs PCSS.

扫描电路的结构示意如图2. 电路中的元器件取值为: 限流电阻R₁, R₂, R₃和R₄的阻值为470 kΩ, 滤波电容C₁, C₂, C₃和C₄的容值为10 nf, 储能电容C₅和C₆的耐压为3 kV.
图 2 扫描电路结构图
Figure2. Schematic diagram of scanning circuit.

测试电路如图3所示. 使用波长为800 nm, 脉宽为60 fs的飞秒激光器(型号为MaiTaiTisapphire)触发电极间隙为3.5 mm的GaAs PCSS, 其中激光脉冲波形为高斯分布. 扫描电路经SMA(subminiature version A)接头进入50 Ω的同轴线中, 继而通过60 dB同轴衰减器(带宽0—40 GHz)与带宽为6 GHz的示波器(型号为LecroyWaveMaster 806Zi-A)相连. 使用型号为KSDP2210-CAS-1激光能量计对激光脉冲能量进行测量.
图 3 扫描电路测试电路图
Figure3. Testing test circuit of scanning circuit.

当触发激光能量为97.5 μJ, 外加偏置电压为± 1.9 kV时, 测试了在储能电容容值为33 pF时输出波形, 如图4所示. 从图4可以看出, 正负输出电脉冲的对称性好. 经示波器测量可得正向脉冲的输出电压为1.270 kV, 上升时间为164 ps. 负向脉冲的输出电压为1.302 kV, 上升时间为175 ps.
图 4 储能电容为33 pF, 偏置电压为± 1.9 kV时的输出波形图
Figure4. The output waveforms of 33 pF capacitor at the bias voltage is ± 1.9 kV.

为了使扫描电路获得更高的电压传输效率以及更快的上升时间, 当触发光能为97.5 μJ时, 分别在电容容值为10, 33, 82, 和100 pF时进行测试. 当外加偏置电压为± 2.0 kV, 单边电脉冲的输出结果如图5所示. 从图中可以看出, 随着储能电容的增大, 输出电脉冲的幅值及上升时间均增加.
图 5 外加偏置电压为± 2.0 kV时的输出波形图(插图为上升沿波形图)
Figure5. The output waveforms at the bias voltage is ± 2.0 kV(insert is rising edge output waveform).

此外, 对每一个特定电容, 在外加偏置电压分别为± 1.5, ± 1.7, ± 1.9和± 2.0 kV条件下测试了扫描电路的输出波形, 测试结果如表1和表2所列. 经对比分析表明, 随着储能电容的增大, 输出电脉冲的传输效率及上升时间均增加.

电容容值/pF	传输效率/%
	± 1.5 kV	± 1.7 kV	± 1.9 kV	± 2.0 kV
10	50.4	47.2	46.9	44.3
33	72.4	71.1	68.5	66.2
82	78.6	76.2	73.9	72.1
100	89.3	92.2	92.9	92.6

表1不同储能电容时输出电脉冲电压传输效率
Table1.The voltage transmission efficiency of output waveformwith different energy storage capacitor.

电容容值/pF	上升时间/ps
	± 1.5 kV	± 1.7 kV	± 1.9 kV	± 2.0 kV
10	158	159	163	149
33	174	169	175	174
82	189	198	180	190
100	380	385	352	377

表2不同储能电容时输出电脉冲上升时间
Table2.The rise time of output waveform with different energy storage capacitor.

根据导通机理的不同, GaAs PCSS分为线性工作模式和非线性工作模式. 在线性工作模式下, GaAs材料吸收一个光子最多产生一个电子空穴对. 当偏置电场超过4—8 kV/cm时, 开关进入到非线性模式, 载流子出现倍增现象, 即GaAs材料吸收一个光子产生多个电子空穴对. 当GaAs PCSS工作在线性模式时, 其时间抖动主要受触发激光脉冲能量、波长以及脉宽的影响^[15—17]. 相比于非线性工作模式, 线性工作模式下GaAs PCSS的时间抖动更小^[18,19]. 因此, 为了更好地满足条纹相机的设计需求, GaAs PCSS需工作在线性模式下.
实验中, 飞秒激光的波长为800 nm, GaAs材料对800 nm波长的吸收深度为微米量级. 实验中所使用的GaAs材料厚度为0.6 mm, 因此GaAs材料对光是完全吸收. GaAs材料的本征吸收限为867 nm, 当用800 nm波长的激光触发GaAs PCSS时, 光生载流子为本征吸收所产生的. 对于光能量为E, 波长为λ的入射光, 其所对应的载流子数为

${N_{\rm{L}}} = \frac{{E \cdot \lambda }}{{h \cdot c}},$

其中N_L为GaAs材料吸收的光子数目, E为触发光能量, λ为波长800 nm, h为普朗克常数, c为光速. 当触发光能量为97.5 μJ时, 根据(1)式计算得出此时载流子数目为4.1 × 10¹⁴个.
当外加偏置电压为± 2.0 kV时, 对于电极间隙为3.5 mm的GaAs PCSS, 此时电场强度为11.43 kV/cm. 根据输出电脉冲波形, 可以计算出载流子的倍增率^[20],

$G = \frac{{{N_{\rm{G}}}}}{{{N_{\rm{L}}}}},$

其中G为载流子倍增率, N_G为光生载流子数. 通过(2)式计算可得出, 载流子的倍增率约为1 × 10^–3, 也就是说载流子未出现倍增, 即开关工作在线性模式下. 当GaAs PCSS工作在线性模式时, 输出电脉冲的上升时间和传输效率除了受触发激光特性和偏置电场的影响外, 储能电容也会对其产生影响. 在相同的外加偏置电压时, 由于使用的GaAs PCSS的间隙均为3.5 mm, 因此, 开关上的外加偏置场强是相同的. 此外, 由于触发激光脉冲特性相同, 即单位时间内光生载流子的产生数量及速度相同. 作为能量的储存或输出装置, 当电容增大时, 电容储存的电量也会增加. 因此提供给开关的电能也就相应增加, 使得输出电脉冲的传输效率增大. 同时, 储能电容的增大导致了电路充放电时间常数的增大, 对光脉冲响应的灵敏度降低, 则输出电脉冲上升时间增大.

本文根据飞秒条纹相机中对扫描电路的需求, 设计了基于GaAs PCSS的具有快前沿正负对称输出的扫描电路. 利用飞秒激光脉冲触发GaAs PCSS, 在不同的储能电容及外加偏置电压下, 获得了单边输出电脉冲的上升时间最快为149 ps, 电压传输效率最高为92.9%, 测试结果满足条纹相机的设计需求. 通过对实验值的对比分析, 得出在相同的触发激光脉冲, 储能电容会影响输出电脉冲的效率及上升时间. 结合输出电脉冲波形计算载流子的倍增率, 得出GaAs PCSS工作在线性模式下. 根据线性模式的工作特点及电容的储能特性, 分析指出在触发激光脉冲特性相同时, 随着储能电容增大, 输出电脉冲电压传输效率及上升时间均增加, 这与实验结果一致. 该研究对GaAs PCSS更好地应用在飞秒条纹相机中具有一定的指导意义, 同时对提高飞秒条纹相机的时间分辨率具有一定的推进作用.