圆环孔阵列超材料对热释电太赫兹探测器性能影响关系研究

本文提出了新的基于圆环孔阵列超材料的钽酸锂热释电太赫兹探测器,以提高0.1—1 THz频段太赫兹波探测性能.仿真分析了内外径、周期、厚度等特征参数对圆环孔阵列超材料太赫兹波透射带宽及透射率的定量影响关系,阐明了圆环孔阵列超材料与热释电探测器的不同结合方式对探测器的带宽及噪声等效功率的作用机理;制备了两种圆环孔阵列超材料钽酸锂热释电太赫兹探测器;测试了圆环孔阵列超材料的透射特性和两类热释电探测器的噪声等效功率.结果表明,所制备的圆环孔阵列超材料在0.25—0.65 THz频段透射率大于40%,实现了带通滤波.当圆孔阵列超材料与热释电探测器保持足够间距时,在0.315 THz点频其噪声等效功率为11.29μW/Hz^0.5,是带通波段外0.1 THz噪声等效功率的6.3%,实现了带通探测;当圆环孔阵列超材料与热释电探测器贴合时,在0.315 THz点频其噪声等效功率为4.64μW/Hz^0.5,是无圆环孔阵列超材料探测器噪声等效功率的29.4%,实现了窄带探测.上述结论可用于生物成像、大分子探测等领域中特定太赫兹波段的带通与窄带探测.     

基于石墨烯的太赫兹器件研究进展

石墨烯是一种零带隙二维的半导体材料, 具有极高的载流子迁移率, 优异的机械、电学、热学和光学等性能. 在太赫兹辐射源、调制器和探测器件的研究中, 石墨烯材料具有独特的优势. 本文以石墨烯材料在太赫兹辐射源、调制器以及探测器等器件方面的应用为主, 综述了石墨烯太赫兹器件的最新研究进展.     

基于AsP/MoS2异质结的偏振光电探测器

线偏振光的探测能力是评价偏振光电探测器件的重要指标。黑砷磷(AsP)是一种较为稳定的平面内各向异性材料,由于其面内结构各向异性,其对线偏振光较为敏感,在偏振探测领域有着重要的应用潜力。本文介绍了一种基于AsP/MoS2的高度偏振敏感光电探测器。由于AsP各向异性的光吸收、MoS2有效的载流子收集和输运能力以及范德华异质结对暗电流的抑制作用,该光电探测器实现了大于300的电流开关比,0.27 A/W的电流光响应度以及2×10^10 Jones的比探测率。更重要的是,此类光电探测器在638 nm波段实现了高达3.06二向色性比的偏振特性。这些实验结果表明AsP/MoS2异质结构在偏振光电探测领域有着广阔的应用前景。     

多层石墨烯纳米带光电探测器理论与性能分析

多层石墨烯具有超宽的光谱吸收范围及独特的光电性能,是制作下一代光电探测器件的理想材料。以石墨烯的带间隧穿理论为基础,提出了一个多层石墨烯纳米带结构的光电探测器模型,纳米带的两端与源极和漏极相连,夹在半导体基质和上下栅极之间。利用这个模型,建立了多层石墨烯纳米带探测器的光电转换机制,讨论了上栅极电压不同时探测器的工作原理,研究了源-漏极间光电流及暗电流与入射光能量的关系,探讨了探测器的偏置电压,耗尽层长度以及带隙取值对暗电流的影响,并分析了不同参数下探测器响应率以及探测率随入射光能量的变化关系。结果表明,探测器的响应率随纳米带层数的增加而增加,受带隙,耗尽层长度和偏置电压的影响,最大的响应率约为103 A·W-1; 通过限制上栅压,带隙等变量可以控制系统暗电流,增大探测器的探测率,最高探测率约为109 cm·Hz1/2·W-1。多层石墨烯纳米带结构可以增强探测器对入射光的吸收,提高探测器的灵敏度以及对弱光的探测能力,实现对太赫兹到远红外波段入射光的有效探测,探测性能远高于许多量子结构和窄带半导体结构的光电探测器。     

一种太赫兹探测器绝对光谱响应度测量方法研究

绝对光谱响应度是探测器的重要技术参数之一，随着太赫兹探测技术的发展，精确测量太赫兹探测器的绝对光谱响应度变得越来越重要。由于在太赫兹波段缺乏连续可调谐的太赫兹光源以及分光系统，因此无法采用传统测量红外探测器绝对光谱响应度的方法来实现对太赫兹探测器绝对光谱响应度的测量。基于反射法测量了2～10 THz相对光谱响应度，通过CO₂泵浦气体激光器作为泵浦光源测量了2.52和4.25 THz绝对响应度，转化得到2～10 THz探测器的绝对光谱响应度，并且对2.52和4.25 THz绝对响应率和相对光谱响应度这两个频率点进行了相互验证，2.52和4.25 THz绝对响应度测量值之比为0.753,相对光谱响应度测量平均值之比为0.749,两者之差仅为0.004,因此，说明本文采用的反射法测量太赫兹探测器相对光谱响应度的方法是可行的。另外水汽在太赫兹波段的测试有很大的影响，对1.5～10 THz波段大气的衰减特性进行了测试，试验表明水汽对太赫兹波有明显的衰减作用，在不同环境湿度下测量时会产生不同的结果，因此在太赫兹探测器测量过程中需要严格的控制大气的湿度，从测试数据可得到，大气中...     

THz波段光子晶体带隙影响因素研究

应用平面波展开法和时域有限差分法分析计算了二维方形光子晶体在太赫兹波段的带隙特征,并着重研究了影响太赫兹波段二维方形光子晶体带隙的因素。通过改变光子晶体的介电常数和截面半径得出了光子晶体带隙随这两种因素的变化规律,进而研究了太赫兹波段损耗较小的塑料和高阻硅两种材料构成的光子晶体带隙及光子晶体波导的传输特性。     

THz谐振腔型石墨烯光电探测器的设计

由于石墨烯在太赫兹波范围内只发生带内跃迁,相比在可见光范围内,其光学吸收特性有显著优势,通过集成石墨烯与谐振腔,将太赫兹波限制在腔内,可进一步增强石墨烯对太赫兹波的吸收.采用麦克斯韦方程组并结合电磁场边界条件,研究了单层石墨烯在太赫兹波段范围内的光吸收机理;推导出石墨烯的传输矩阵和吸收系数方程,发现在太赫兹波段石墨烯的吸收是在可见光波段吸收的9—22倍;通过建立谐振腔型石墨烯光电探测器在太赫兹波段的光吸收模型及求解探测器吸收率方程,发现在0.12 THz处,吸收率可达0.965,相比无腔状态下石墨烯在太赫兹波段的最大吸收率0.5,提高了93%;优化设计器件结构参数并表征,最终器件响应度最高达到236.7 A/W,半高全宽为0.035 THz.理论分析表明,采用谐振腔型石墨烯光电探测器对太赫兹波进行探测,具有高吸收率、高响应度.研究结果对于太赫兹谐振腔型石墨烯光电探测器的设计和应用提供了理论参考.     

二维材料异质结高灵敏度红外探测器

要想实现弱光探测,需要探测器具有高灵敏度。石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷等二维材料因具有宽光谱吸收、带隙可调、高载流子迁移率等良好的光学与电学性能,广泛应用于红外探测器的制作,然而这些材料存在弱光吸收、载流子迁移率低、空气稳定性差等问题,制约了其在高灵敏度红外探测领域的应用。同单一的二维材料相比,二维材料异质结不仅具有各单一材料的特点,而且由于两种材料的结合展现出新颖的物理特性,近年来在高灵敏度红外探测领域得到了广泛研究。本文基于影响灵敏度的主要因素,分析总结了提高红外探测器灵敏度的主要策略,回顾了近几年基于二维材料异质结高灵敏度红外探测器的发展,总结了其主要性能指标,最后指出了进一步提升红外探测灵敏度所面临的挑战,从如何平衡探测器响应度与响应速度、大面积二维异质结制备、异质结界面优化利用等方面展望了如何获得综合性能良好的高灵敏度红外探测器以及实现探测器商业应用,以期对高灵敏度红外探测领域的发展提供一定的指导意见。     

栅极天线和NMOS耦合的CMOS太赫兹热探测器的设计与测试

设计了一种在室温工作的太赫兹热探测器.探测器由片上天线和温度传感器耦合而成.天线由NMOS温度传感器的栅极组成,吸收入射的太赫兹波将其转化为焦耳热,生成的热量引起的温度变化由温度传感器探测.整个探测器的探测过程分为电磁辐射吸收、波-热转换、热-电转换三个过程,并分别进行了建模分析,仿真得到天线吸收率为0.897,热转换效率为165K/W,热电转换效率为1.77mV/K.探测器基于CMOS 0.18μm工艺设计,工艺处理后将硅衬底打薄至300μm.探测器在3THz太赫兹环境下,入射功率为1mW时,电压响应率仿真值为262mV/W,测试值为148.83mV/W.     

低损宽频高双折射太赫兹光子带隙光纤

设计了一种低损耗、宽频段、高双折射太赫兹光子带隙光纤,呈三角晶格排列的亚波长空气孔包层实现了带隙的局域作用.利用全矢量有限元法对光纤的双折射及损耗特性进行了理论分析.结果表明,在大约0.3 THz的宽频范围内,类矩形纤芯太赫兹光子带隙光纤的损耗小于0.009 cm^-1,相双折射在10^-3数量级,群双折射可达10^-2数量级. 关键词： 太赫兹 太赫兹波导 光子晶体光纤 双折射     

太赫兹技术在农产品检测中的应用研究进展

我国是农业大国,保障粮食安全是国家发展的战略需要。农产品检测技术的应用和发展对监控质量,预防由农产品品质问题引发的安全事故至关重要。太赫兹（Terahertz,THz）波位于电磁频谱空隙,频率高于微波而低于红外线,具备光子能量低、穿透性好、能表征分子结构等优点。基于太赫兹波的光谱检测技术受到研究人员广泛关注,在生物医学、安全检查等方面得到应用,被证明是一种可靠的检测手段。在农产品应用领域,太赫兹波特有的非接触、无标记检测能力为农产品成分分析、质量控制提供了技术手段,其良好的穿透性和无损害性,可以用来在不破坏农产品表面及外包装的前提下,检测内部成分变化。与其他光谱（超声、X射线、红外等）检测手段相比,太赫兹波频率范围宽、表征能力强,可实现对目标物质的快速无损检测。近几年,随着太赫兹发射源、探测器等设备以及光谱和成像技术的发展,其在农产品领域的应用有了新的进展。通过收集整理近期的文献资料,综述了太赫兹技术在农产品检测方面的应用拓展和研究成果,总结了目前存在的应用局限。在此基础上,对未来太赫兹光谱和图像检测的研究方向进行了展望,提出提高检测灵敏度和检测速度是农产品领域太赫兹技术产业化应用的研究重点。在检测系统中引入基于超材料的传感器是提升灵敏度的一种有效手段,可以突破原有的太赫兹光谱检测极限,对研究农药残留、真菌毒素等危害农产品安全的痕量污染物具有重要意义。在农产品快速成像检测方面,基于单像素成像和压缩感知理论的太赫兹计算成像技术是提高检测速度的可行方案。这些研究成果将为后续太赫兹技术的发展提供方向性指导,对农产品检测领域的应用推广具有重要参考价值。     

基于Rydberg原子天线的太赫兹测量

Rydberg原子在微波和太赫兹频段具有极大的电偶极矩,利用量子干涉效应可实现对该频段电磁波场强的高灵敏探测,理论上灵敏度可达到远高于现有探测技术的水平.基于Rydberg原子量子效应的电磁场探测及精密测量技术在太赫兹的场强和功率计量、太赫兹通信和太赫兹成像等方面有着巨大的应用前景.本文回顾了基于Rydberg原子量子干涉效应实现电磁波电场自校准和可溯源测量的基本理论和实验技术,详细介绍了基于Rydberg原子的高灵敏太赫兹场强测量、太赫兹近场高速成像和太赫兹数字通信的基本原理和技术方案.最后简单介绍了本研究团队正在开展的基于Rydberg原子的太赫兹探测工作.     

The application of terahertz spectroscopy to liquid petrochemicals detection: A review

Petrochemicals, one of the most important energy sources, contribute to the remarkable development of human civilization. Therefore, the development of a kind of fast, safe, reliable and nondestructive detection technology is essential. Terahertz (THz) spectroscopy, containing abundant physical, chemical, and structural information of materials, shows significant applications in the fields of physics, chemistry, materials science, medicine, pharmacy and biology. As a promising detection technology, THz technology provides a new reliable analytic method in liquid petrochemicals detection due to the fact that low-frequency vibrational and rotational motions of hydrocarbon molecules lie in the terahertz region. In this article, we review the applications of the liquid petrochemicals detection based on the terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) system, mainly containing the analysis of molecular properties, qualitative identification, quantitative analysis and the terahertz metamaterials sensing. In addition, we propose the further exploration of terahertz technology in the field of petrochemical industry.     

基于有机吡啶盐晶体的太赫兹频率上转换探测

利用激光泵浦国产有机吡啶盐4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲基苯磺酸盐(4-N,N-dimethylamino-4′-N′-methyl-stilbazolium tosylate,DAST)晶体,通过非线性频率上转换方法实现了室温运转的高灵敏、快响应、宽频段太赫兹探测.高效生成了近红外上转换光,采集到其脉冲包络和光谱,获得了ns量级的时间分辨率,并换算太赫兹波的频率,实现了对太赫兹信息的全面表征.与商用高莱探测器相比,上转换方法在19 THz频点的探测灵敏度高4个数量级;在可探测频率3.15—29.82 THz范围内,响应度普遍高2—3个数量级.结果表明:室温下的光泵频率上转换探测方法在时间分辨率和响应度方面远优于传统的热探测器,极大地提高了差频有源太赫兹系统的动态范围,使差频源在太赫兹波谱分析和成像等领域具有更大的应用潜力.     

红外探测器三波段高通滤光片的研制

红外探测器在空间探测以及目标发现和跟踪技术中具有极为重要的应用,其性能的优劣直接关系到获取数据的准确性和可信性。为了提高红外信号的分析灵敏度,降低探测器的噪声,在（CVD）ZnS基底上,采用电子束及离子辅助沉积技术,研制了3 m～5 m高透、1.064 m～2.5 m波段截止的高通滤光膜。为了有效防止1.064 m波段处的激光对探测器造成的激光损伤,以保证探测器的正常工作,根据激光器的输出功率制备了对1.064 m激光波段具有1%,0.1%,0.01%数量级衰减能力的系列高通滤光膜,使红外探测器更具灵活性与智能化的特征。     

Room-temperature terahertz detection based on CVD graphene transistor

We report the fabrication and characterization of a single-layer graphene field-effect terahertz detector, which is coupled with dipole-like antennas based on the self-mixing detector model. The graphene is grown by chemical vapor deposition and then transferred onto an Si O2/Si substrate. We demonstrate room-temperature detection at 237 GHz. The detector could offer a voltage responsivity of 0.1 V/W and a noise equivalent power of 207 n W/Hz1/2. Our modeling indicates that the observed photovoltage in the p-type gated channel can be well fit by the self-mixing theory. A different photoresponse other than self-mixing may apply for the n-type gated channel.     

Terahertz Three-Dimensional Imaging Based on Computed Tomography with Photonics-Based Noise Source

Computed tomography has been proven to be useful for non-destructive inspection of structures and materials. We build a three-dimensional imaging system with the photonically generated incoherent noise source and the Schottky barrier diode detector in the terahertz frequency band(90-140 GHz). Based on the computed tomography technique, the three-dimensional image of a ceramic sample is reconstructed successfully by stacking the slices at different heights. The imaging results not only indicate the ability of terahertz wave in the noninvasive sensing and non-destructive inspection applications, but also prove the effectiveness and superiority of the uni-traveling-carrier photodiode as a terahertz source in the imaging applications.     

基于光导微探针的近场/远场可扫描太赫兹光谱技术

太赫兹技术已经成为涉及公共安全、军事国防和国民经济等国家核心利益的前沿研究领域.以往太赫兹测量技术中通常以远场测量为主,如常用的太赫兹时域光谱仪.近年来太赫兹近场技术得到了迅猛的发展,特别是基于光导天线的探针技术的发展,为可扫描的太赫兹近场测量提供了可能.本文详细报道了我们近期在可扫描太赫兹近场光谱仪研究中的进展.采用光纤耦合的光导微探针实现了方便灵活的太赫兹近场/远场三维扫描,并同时获得振幅和相位信息.该系统将有可能广泛应用于人工微结构、石墨烯、表面等离子激元、波导传输、近场成像、生物样品检测、芯片检测等研究领域.     

光子晶体对太赫兹波的调制特性研究

利用传输矩阵方法研究了掺杂半导体n-GaAs/聚碳酸脂一维光子晶体的太赫兹波透射谱.研究结果发现,与一般由两种介电材料组成的一维光子晶体不同,由于掺杂半导体中自由载流子对太赫兹波存在较强的吸收,所以这种材料组成的一维光子晶体除可形成光子带隙外,还可以增强n-GaAs对太赫兹波的透射.同时还提出了一种基于这种一维光子晶体的太赫兹波调制器,通过外加电压控制半导体中电子浓度的大小可实现对太赫兹透射波幅度的调制. 关键词： 掺杂半导体光子晶体 太赫兹波 太赫兹波的调制     

太赫兹片上系统和基于微纳结构的太赫兹超宽谱源的研究进展

目前太赫兹辐射信号的功率不高,辐射带宽也较窄,这些对于生物化学、含能材料的太赫兹检测应用领域来说是一大限制因素,因此如何获得宽谱高功率的太赫兹源对于太赫兹时域光谱系统的发展是非常重要的;另一方面,常规的太赫兹系统是在自由空间传输探测的,测量过程需要在氮气或者干燥空气环境中进行,以克服空气中水的吸收干扰,同时自由空间中的光场与物质相互作用的模式又降低了物质检测的灵敏度,这对于痕量物质检测来说构成了挑战.面对这一问题,太赫兹片上系统利用微纳结构中的局域场效应实现对物质的低浓度检测,此方案有助于解决这一应用难题.综上所述,本文分成以下两部分阐述:首先阐述了纳米金属薄膜作为新的太赫兹源,它可以同时产生非相干的和相干的太赫兹信号,其输出为超过100 THz的太赫兹-红外辐射,功率高达10 mW,这种超宽谱和高功率现象主要是由于非相干的热辐射效应引起的;第二,阐述了基于不同传输线结构、不同基底材料的太赫兹片上系统结构设计和光谱应用.基于共面带状线结构和聚合物材料基底的太赫兹片上系统有着较低的损耗,能够实现超过2 THz带宽的测量和生物化学应用.