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太赫兹波探测器的研究进展

2014/4/24 9:34:50  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

  摘 要: 太赫兹技术涉及电磁学、半导体物理学、光电子学、材料科学以及微加工技术等多个学科。太赫兹探测器是太赫兹技术应用的关键器件之一。太赫兹电磁波独特的特点,令太赫兹技术在物体成像、射电天文、宽带移动通信、医疗诊断、环境监测等方面具有重大的科学研究价值和广阔的应用前景。文章介绍了太赫兹探测技术的原理及其应用,并在此基础上分析了太赫兹探测器件的最新进展、性能和发展趋势。

  0 引言

  太赫兹波是频率0.1~10 THz (1 THz=1012Hz)范围内的电磁波,它对应的波长范围为3 mm~30μm,位于毫米波(亚毫米波)与红外波之间。太赫兹光子对应能量范围为0.414~41.4 meV,与分子和材料的低频振动和转动能量范围相匹配。这些决定了太赫兹波在电磁频谱中的特殊位置以及在传播、散射、反射、吸收、穿透等方面与毫米波、红外线

  显著不同的特点和应用。而太赫兹技术也将为人们对物质的表征和操控提供很大的自由空间。例如,太赫兹辐射具有良好的时空相干特性,这为实现量子相干和量子控制提供了新的手段。而在高分辨率连续测量和时域测量两个方面的能力也极大地扩展了太赫兹光谱在天体物理和大气科学中的作用。此外,太赫兹技术在军事领域的应用前景广阔,主要包括目标探测(太赫兹雷达)、保密通信、对抗、敌我识别、隐藏武器探测、武器精确制导、军用工具测试和安全检测等方面[1-2]。

  在太赫兹波段的开发和利用中,检测太赫兹信号具有举足轻重的意义。因为,一方面,与较短波长的光学波段电磁波相比,太赫兹波光子能量低,背景噪声通常占据显著地位;另一方面,随着太赫兹技术在各领域特别是军事领域中的应用的深入开展,不断提高接收灵敏度成为必然的要求。

  目前,太赫兹信号探测技术从原理上可分为相干脉冲时域连续波探测技术和非相干直接能量探测技术两类。基于相干技术的太赫兹脉冲时域连续波探测技术采用与太赫兹脉冲生成相类似的方式进行相干检测,一类探测方法称为太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)[3-4],另一类在太赫兹波低频端选用超外差式检测器[5-7]。太赫兹非相干能量探测技术[8]是基于热辐射吸收的直接能量检测,一般只能测出太赫兹辐射强度,而不能提供其相位信息,属非相干测量,是一类宽带检测技术。由于探测的灵敏度受限于背景辐射,在太赫兹波段的高频端一般采用直接检测器。

  1 太赫兹波时域光谱技术

  THz-TDS技术是20世纪80年代发展起来的一种新型光谱测量技术[9-10]。该技术利用基于飞秒激光技术获得的宽波段太赫兹脉冲透过样品或从样品反射,测量由此产生的太赫兹电场强度随时间的变化,进而得到样品的信息。这种测量技术主要适用于检测材料在远红外和微波之间的性质和物理现象。典型系统结构如图1所示。系统中分束器将飞秒脉冲分为抽运光和探测光,前者用于激发太赫兹光源,后者用于驱动太赫兹探测器。太赫兹探测器接收样品反射的太赫兹脉冲信号,探测由延迟线控制的不同时间光脉冲到达瞬间的太赫兹电场强度,再通过Fourier变换得到反射光谱分布。

  利用THz-TDS系统进行太赫兹探测最常用的两种采样方式是:光电导采样(PC采样)[11-12]和自由空间电光采样(FS-EOS)[13-14],二者均采用飞秒激光源。利用光电导取样或自由空间的电光取样的方法直接记录太赫兹辐射电场的振幅时间波形。THz-TDS技术较传统的Fourier变换光谱技术具有更好的信噪比(可达104∶1以上)和频率分辨率,测量带宽约为0.1~5 THz。

  1.1 光电导采样探测技术

  通过各种方法产生的包含太赫兹频段的超短电脉冲最早使用选通光电导天线进行探测。光电导采样基于光电导发射机理的逆过程:激光采样脉冲激发光电导介质中产生自由载流子,太赫兹电场作为偏转电场促使载流子运动产生正比于太赫兹脉冲电场瞬时值的电流。通过改变探测器波束和太赫兹脉冲的时间延迟,可以得到整个太赫兹电场随时间的变化情况。这种方法能得到高达60 THz的宽波段太赫兹测量结果。测量系统如图2(a)所示。光电导介质通常采用低温生长的GaAs、半绝缘的GaAs和InP等材料。

  1.2 自由空间电光采样探测技术

  自由空间电光采样是基于线性电光效应(Pockels效应)的探测技术。将探测光与太赫兹辐射同时作用在一块电光晶体上,合理选择两者之间的偏振方向和传播方向的夹角、电光晶体的光轴方向以及调制偏振器和补偿器,太赫兹脉冲在电光晶体中引起瞬态双折射,从而影响激光采样脉冲在晶体里的传播,即利用太赫兹电场对探测光脉冲的偏振状态进行调制。通过电光取样可得到包括振幅和相位的整个太赫兹电磁辐射波形信息。其中,电光晶体多采用ZnTe,GaP和DAST晶体,探测系统如图2(b)所示。在THz低频范围内,光电导采样对于特定的太赫兹辐射有更高的信噪比和灵敏度。随调制频率增加,大于1 MHz后自由空间电光取样逐渐发挥作用,也能得到大于104的信噪比。由于天线参数的限制,光导天线可探测频率范围仅为3~4THz。有报道采用低温GaAs光导天线可以探测至20 THz的信号[15]。电光取样可探测较宽的范围,一般为100 GHz~37 THz。探测噪声等效功率(NEP)约为10-15W·Hz-1/2量级。

  此外,近年美国伦斯勒理工学院太赫兹研究中心提出利用空气作为介质产生和探测THz脉冲的方法,即太赫兹波空气电离相干探测法(THz-ABCD)[16]。该方法以空气或激光诱导的空气等离子体作为介质,通过测量太赫兹脉冲诱导产生的二次谐波信号,实现宽带太赫兹波时间分辨探测。空气作为太赫兹脉冲的探测器,可以反映太赫兹脉冲

  真实的时间波形。THz-ABCD探测法的频谱宽度可以超过8 THz。

  2 连续波相干检测技术

  以上太赫兹探测方法都是宽带光谱方法,当需要更高的频率分辨率时,则要采用窄带探测方法,如外差法探测。在微波、毫米波和太赫兹频率范围内,最灵敏的探测器都是基于外差法制作的。连续太赫兹波外差法探测信号是由被探测的太赫兹连续波信号和局部振荡信号混合而成。局部振荡信号具有大于接收信号能量的固定输出。外差法处理时需要通过一个非线性设备———混频器进行,混频器将难处理的高频太赫兹信号进行下转换到可方便处理的较低频率的信号(也称中频信号),然后对低频信号进行放大和测量。混频器一般是具备非线性伏安特性的电子学元件,其输出信号的频率正比于太赫兹信号与局部振荡信号频率的差值。通过对输出信号的分析,可以得知太赫兹信号的相关信息。目前,太赫兹波段常用的混频检测器主要有3种:肖特基二极管混频器[17-18]、超导-绝缘体-超导(SIS)混频器[19-22]、热电子辐射热计(HEB)混频器[23-26]。肖特基二极管混频器工作频率可达2.5 THz,其NEP约为10-19W·Hz-1/2量级。

  目前,美国马萨诸塞Lowell大学与美军国家地面智能中心合作开展的1.56 THz紧凑型雷达研究就采用了肖特基二极管混频器接收太赫兹雷达信号[27]。SIS混频器以光子辅助隧穿机制为理论基础,多用于频率在1THz以下范围的太赫兹信号探测,需要在液氦温度下工作,其NEP约为10-21~10-20W·Hz-1/2量级,2007年已经用于欧洲空间局(ESA)的远红外和亚毫米波空间望远镜系统(FIRST)[28]。HEB混频器是近年来利用声子和电子散射冷却机制发展起来的。常用Nb,NbN,NbTiN,Al和YBCO等材料制成尺寸为微米量级的微桥,对太赫兹信号热效应具有灵敏的响应,从而使对应电子的温度高于光子温度。HEB的阻抗由电子温度决定,于是加上直流偏置时,所测电压与太赫兹功率成比例。三种混频器性能相比,肖特基二极管的探测灵敏度最低[29],但可以工作在常温条件下;而SIS混频器的主要缺点是工作温度很低,但所需的局部振荡器功率要比肖特基二极管混频器低一个数量级;HEB混频器的工作速度非常快,这一点使其成为最灵敏的太赫兹外差接收器,其噪声温度几乎接近量子极限,多用于探测1 THz以上的辐射信号,目前最高可探测频率约为5 THz。三种混频器的噪声温度与工作频率的关系如图3所示。

  做为相干检测方式,外差法既可保持信号的振幅和相位双重信息,也可实现量子极限噪声的高灵敏度检测。但是,由于混频技术中必须有一个具备一定信号功率的本振信号源,这在太赫兹波段具有较大难度,增加了成本和操作难度,而且不容易集成为探测器阵列,从而也在一定程度上限制了其应用范围。

  3 直接探测技术

  直接探测技术是将被测信号直接转化为直流电流或电压信号,无需本地振荡信号源和中频放大器等,因此,系统简单。太赫兹波直接检测器又可分为常温和低温两类。

  3.1 低温直接检测器

  工作在液氦或极低温区的超导-绝缘体-正常金属(SIN)隧道结可以直接检测太赫兹信号[30],检波原理是照射太赫兹波可以改变SIN结的伏安特性。根据工作频率(ν)与超导能隙(Δ)的关系,直接检测的方式由光子能量hν的大小分为两类:一种(hν>2Δ)称为光子检测(photo detection),一种(hν<2Δ)称为视频检波检测(video detection)。光子检测的优点是频率响应平坦,而且结构简单,一个SIN结就是一个单元。但是光子检测需要的不仅是结的优良特性,而且需要加吸收薄膜来改善器件的光子吸收效率。其最大的缺点是不能采用通常的超导材料Nb,只能用Ta和Al。这些检测器的NEP约为10-18W·Hz-1/2量级。液氦冷却的Si、Ge或InSb测辐射热计(Bolometer)也可作为太赫兹波直接检测器[31],响应时间为微秒量级,NEP约为10-15W·Hz-1/2量级,冷却到更低温度时会有较大改进。另外,超导热电子测热电阻(HEB)也可用于直接检测THz波[32],其NEP约为10-20W·Hz-1/2量级。NbN超导HEB结构如图4所示。

  

  3.2 室温直接检测器

  室温下工作的THz直接检测器种类很多,如:半导体GaAs肖特基二极管直接检测器;直接吸收热量后电阻变化的普通铋测热电阻;戈莱(Golay盒;热释电探测器;声测热电阻;快速量热计等中率检测器。其中,测辐射热计是目前已被商品化的太赫兹波段的直接探测器中最为灵敏的一种,它的NEP可以达到10-12~10-15W·Hz-1/2。直接检测器的优点是可以探测的频段非常宽,使用相对简单。同时,也存在一些不足:只能得到信号的幅度信息,无法得到其相位信息,而且对后端读出电路低噪声技术的要求比较高。另外,响应时间长、灵敏度较低、背景噪声影响较大、存在标定问题等。直接检测技术因其简单而适用于频率较高但不需要较高谱线分辨率的场合,多用于阵列多元成像检测系统。

  目前,太赫兹检测趋势向单光子检测发展,基于MEMS的测辐射热计———两个平行的量子点构成的单电子晶体管(SET)[33-34],可探测太赫兹单光子,结构如图5所示。当用高磁场冷却温度至50 mK时,可探测频率范围为1.4~1.7 THz,其NEP约为10-22W·Hz-1/2量级,比普通Bolometer的NEP高三个数量级。

  4 结论

  随着太赫兹应用的广泛开展,对太赫兹波探测器的灵敏度和频率分辨率等性能也提出了越来越高的要求。受限于太赫兹辐射源的低输出功率和太赫兹频率范围内较高的热辐射背景噪声等因素,在不同适用环境和工作范围内各种太赫兹探测器相互补充。目前,随着国际国内对太赫兹探测器的更进一步研究,不断提出新型的检测器结构,或者改进已有的探测器件,性能不断提高。太赫兹探测也从实验室走向广泛的实际应用,如天文、环境检测、军事等领域。

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  作者简介:杜艳丽(1979-),女,河南郑州人,博士,讲师,主要从事光电测试及精密测量方面的研究工作

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