超导探测器与太赫兹天文应用

太赫兹频段(0.1—10 THz)占有宇宙空间近一半的光子能量，特别适合观测早期遥远天体、正在形成冷暗天体，以及被尘埃遮掩天体，且具有非常丰富的分子、原子及离子谱线，是其他频段不可替代的宇宙观测窗口。近四十年来，低温超导探测器技术得到快速发展，在天文学领域率先实现应用并取得系列有显著影响的研究成果，如黑洞成像、原行星盘精细结构观测以及近邻宇宙水分子刻画和宇宙最先诞生的电离氢化氦离子探测等。文章将主要介绍4种国际主流太赫兹超导探测器(即超导隧道结(SIS)混频器、超导热电子(HEB)混频器、超导相变边缘(TES)探测器和超导动态电感(KID)探测器)的研究进展、应用突破和未来发展趋势。     

超高灵敏度太赫兹超导探测器

太赫兹(THz)波段一般定义为0.1–10 THz的频率区间, 对应波长范围3 mm–30 μm, 覆盖短毫米波至亚毫米波段(远红外). 尽管人们早已认识到太赫兹波段具有非常重要的科学意义和广泛的应用前景, 但该波段仍然是一个有待全面研究和开发的电磁频率窗口. 因此, 太赫兹波段的天文观测在天体物理及宇宙学研究中具有不可替代的作用, 对于理解宇宙状态和演化具有非常重要的意义. 具有超高灵敏度的太赫兹超导探测器, 已经成为太赫兹波段观测的主要手段. 本文主要阐述了太赫兹超导探测器的基本类型和工作原理, 以及中国科学院紫金山天文台在该领域的主要研究成果和进展.     

利用激光诱导荧光来探测远程宽带太赫兹波

远程太赫兹光谱分析在国土安全和环境监测方面的应用有着巨大的潜力.然而由于大气中的水气在太赫兹频率范围内的强吸收,远程宽带太赫兹探测一直以来都是一个挑战.文章介绍了一种通过相干控制非对称电离气体荧光来实现远程宽带探测太赫兹波的全光学技术.由于荧光在大气中的高透过率以及全方位辐射特性,该技术可用于太赫兹波的远程探测,具有最小水气吸收以及不受光信号收集方向限制两个优点.实验上已经获得了距离为10m量级的太赫兹波相干探测.     

高速太赫兹探测器

太赫兹(terahertz,THz)技术在高速空间通信、外差探测、生物医学、无损检测和国家安全等领域具有广阔的应用前景.能响应1 GHz调制速率以上THz光的高速THz探测器是快速成像、THz高速空间通信、超快光谱学应用技术和THz外差探测等领域的核心器件.传统的THz热探测器难以实现高速工作,而基于半导体的THz探测器在理论上可实现高速工作.光导天线具有超快的响应速度,可实现常温和宽谱探测;肖特基势垒二极管混频器、超导-绝缘体-超导混频器和超导热电子混频器具有转换效率高、噪声低等优点,可用于高速THz空间外差和直接探测;基于高迁移率二维电子气的天线耦合场效应晶体管灵敏度高、阻抗低,可实现常温高速THz探测;THz量子阱探测器是一种基于子带间跃迁原理的单极器件,非常适合高频和高速探测应用,亚波长金属微腔耦合机理可显著提高器件的工作温度及光子吸收效率.本文对上述几种高速THz探测器进行了综述并分析了各种探测器的优缺点.     

利用空气来探测脉冲太赫兹波

曾有报道利用飞秒激光脉冲通过空气中的三阶光学非线性过程产生高强度的太赫兹波．理论上，作为太赫兹波产生的逆过程，有可能实现用空气作为介质探测脉冲太赫兹波．作者以空气或激光诱导的空气等离子体作为介质，通过测量太赫兹波场诱导产生的二次谐波信号，首次实现了宽带太赫兹波的时间分辨探测，本文介绍了空气中太赫兹波的非相干和相干探测的实验结果和理论分析．迄今为止，这种具有突破意义的太赫兹波空气电离相干探测法（THz-ABCD）的频谱宽度可以超过8THz，实现动态范围可达30dB。     

超宽带太赫兹时域光谱探测技术研究进展

太赫兹时域光谱(THz time-domain spectroscopy, THz-TDS)技术是一种非常有效的相干探测技术,具有信噪比高,探测带宽,可在室温下工作,可进行时间分辨测量等特点,广泛应用于材料、化学、生物、安检等领域。较早时期的THz-TDS系统受限于太赫兹辐射源的带宽和光谱探测手段,测量范围有限(<5 THz),较高频段的光谱信息无法得到。为了进一步扩大太赫兹时域光谱探测技术的应用范围,迫切需要发展超宽带(≥10 THz)的太赫兹时域光谱探测技术。本文回顾了太赫兹时域光谱探测技术的发展进程,综述了实现超宽带太赫兹时域光谱探测的主要技术方法,展示了不同测量方法的典型实验方案,同时总结了不同探测方法的优缺点,并追踪了主要研究小组的前沿成果以及最新的应用进展。     

500GHz超导SIS混频器的设计

超导SIS(Superconductor-Insulator-Superconductor)混频技术是新兴的低噪声检测技术,其卓越的低噪声性能使其成为太赫兹波段理想的接收技术之一.如何提高太赫兹波和SIS超导结之间的信号耦合是设计超导SIS混频器的一个关键问题.本文依据准光耦合技术,研究了两种改善两者间信号的耦合方法:一是设计工作于500GHz波段的对数周期天线,二是设计微带阻抗变换器以实现对数周期天线和SIS超导结之间的阻抗匹配.     

基于连续波太赫兹频域光谱系统的样品折射率测定方法

经过二十年的发展，太赫兹光谱技术已经在生物医疗、工业质检、国防安全、新材料研发等多个领域证明了其强大的应用潜力，然而传统太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)对飞秒激光器的依赖，严重限制了太赫兹技术在实际工业领域中的应用，近年来，以商业成熟的中红外激光混频作为产生与探测机制的太赫兹频域光谱技术(THz-FDS),凭借其高集成度、低成本以及高分辨率等适用于实际应用的特点得到了广泛的研究关注。但是，作为新型光谱技术，THz-FDS的数据处理算法与传统THz-TDS相比仍处于起步阶段，此前所开展的物质表征研究大多局限于信号幅值的利用，而其相干探测机制所蕴含的太赫兹波相位信息并未得到充分挖掘，与相位信息紧密相关的样品折射率、介电常数、极化率等关键参数因此无法准确获取。从THz-FDS的相干探测原理出发，结合实测数据，详细阐述了太赫兹波相位信息与THz-FDS原始光电流数据周期振荡之间的联系，建立了由原始光电流数据振荡周期求取样品折射率的理论模型。在此基础上，指出了传统零频基点求取折射率方法在低频段表现欠佳的原因，提出了所改进的双基点折射率求取算法。为了验证所提出的折射率测定方法的可靠性，选取了在...     

交联聚苯乙烯的太赫兹光谱特性

交联聚苯乙烯是一种热固性塑料,具有优异的介电特性和耐高压击穿能力等特性。采用基于太赫兹波空气电离相干探测法(THz-ABCD)的太赫兹时域光谱系统,测量了交联聚苯乙烯和聚苯乙烯样品在太赫兹的光谱特性,得到了其在2~13 THz频段的吸收系数、折射率等光学参数。研究结果表明:交联聚苯乙烯和聚苯乙烯的吸收谱形状相似,在6.6,9.8和12.25 THz等处存在多个吸收峰,但是交联聚苯乙烯的吸收系数在12 THz以下高于聚苯乙烯,在12 THz以上低于聚苯乙烯;交联聚苯乙烯的折射率高于聚苯乙烯,聚苯乙烯的折射率在1.58~1.59之间,交联聚苯乙烯的折射率在1.59~1.62之间。     

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.     

超导单光子探测技术

单光子探测是弱光测量技术的核心,在量子信息、物理、生物、化学和天文学领域具有关键性的作用。传统以光电倍增管或雪崩二极管为基础的单光子探测器的低灵敏度和高暗计数限制了信噪比的提高,低计数率限制了测量速度和动态范围。本文综述了以超导材料作为光敏感器件的单光子探测技术,其量子效率、暗计数率和计数率远高于传统的单光子探测器,它们的出现势必给单光子测量相关学科带来巨大影响。     

Noise Behaviour of a THz Superconducting Hot-Electron Bolometer Mixer

A quasi-optical superconducting NbN hot-electron bolometer （HEB） mixer is measured in the frequency range of 0.5-2.5 THz for understanding of the frequency dependence of noise temperature of THz coherent detectors. It has been found that noise temperature increasing with frequency is mainly due to the coupling loss between the quasioptical planar antenna and the superconducting HEB bridge when taking account of non-uniform distribution of high-frequency current. With the coupling loss corrected, the superconducting HEB mixer demonstrates a noise temperature nearly independent of frequency.     

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。     

Superconducting detectors in astronomy

Radiation detectors based on superconducting phenomena are becoming increasingly important for observational astronomy. Recent developments in this important field, together with relevant background, are described here. After a general introduction to superconductivity and the field of superconductor-based radiation sensors, the main detector types are examined with regard to their physical form, operating principles and principal advantages. All major forms of superconducting detectors used in contemporary research such as tunnelling detectors, mixers, hot-electron bolometers and transition edge sensitive devices are discussed with an emphasis on how more recent developments are overcoming the shortcomings of the previous device generations. Also, discussed are new ideas in superconducting detector technology that may find applications in the coming years.     

THz radiation sensors

In the paper, issues associated with the development and exploitation of terahertz (THz) radiation detectors are discussed. The paper is written for those readers who desire an analysis of the latest developments in different type of THz radiation sensors (detectors), which play an increasing role in different areas of human activity (e.g., security, biological, drugs and explosions detection, imaging, astronomy applications, etc.). The basic physical phenomena and the recent progress in both direct and heterodyne detectors are discussed. More details concern Schottky barrier diodes, pair braking detectors, hot electron mixers, and field-effect transistor detectors. Also the operational conditions of THz detectors and their upper performance limits are discussed.     

NbN superconducting nanowire single photon detector with efficiency over 90% at 1550 nm wavelength operational at compact cryocooler temperature

The rapid development of superconducting nanowire single-photon detectors over the past decade has led to numerous advances in quantum information technology. The record for the best system detection efficiency at an incident photon wavelength of 1550 nm is 93%. This performance was attained from a superconducting nanowire single-photon detector made of amorphous WSi; such detectors are usually operated at sub-Kelvin temperatures. In this study, we first demonstrate superconducting nanowire single-photon detectors made of polycrystalline NbN with system detection efficiency of 90.2% for 1550-nm-wavelength photons at 2.1 K, accessible with a compact cryocooler. The system detection efficiency saturated at 92.1% when the temperature was lowered to 1.8 K. We expect the results lighten the practical and high performance superconducting nanowire single-photon detectors to quantum information and other high-end applications.     

黑砷磷室温太赫兹探测器

由于太赫兹波与众多物质之间存在着丰富的相互作用,太赫兹技术在众多领域均有应用需求。因此,基于独特物理机制和优异材料特性的高灵敏度、便携式太赫兹探测器的研制刻不容缓。黑砷磷是一种新型二维材料,其带隙和输运特性随化学组分可调,在光电探测领域被广泛关注。目前基于黑砷磷的研究集中在红外探测方面,而对于太赫兹探测的应用未见报道。本文介绍了一种基于黑砷磷的天线耦合太赫兹探测器。实验结果表明,在探测过程中存在两种不同的探测机制,并且两者之间存在竞争关系。通过改变黑砷磷的化学组分可以定制不同的探测机制,使其达到最优响应性能。在平衡材料带隙和载流子迁移率的情况下,探测器实现了室温下对0.37 THz电磁波的灵敏探测,其电压响应度和噪声等效功率分别为28.23 V/W和0.53 nW/Hz1/2。     

应用于弱光探测的热敏超导谐振器

近几十年来,超导单光子探测技术被越来越广泛的应用于量子保密通信与线性光量子计算等重要领域中.其中,基于超导共面波导谐振器的单光子技术以其结构简单,高探测效率及可分辨光子数目等特性吸引了人们越来越多的关注.随着科研工作者对样品制备工艺的不断改进,对选用超导薄膜材料的不断优化,以及对相关背景理论的深入研究,共面波导谐振器单光子探测技术在近几年中取得了巨大的突破.本文将从共面波导谐振器单光子探测器的工作原理,相关理论研究,样品参数设计等方面出发,结合本实验室近期测试得到的实验结果,对共面波导谐振器单光子探测技术的发展近况进行简要的综述.     

中国超导电子学研究及应用进展

超导体的发现距今已有近110年了,高温超导体的发现也已经有30多年了.超导材料的电子学应用在最近一二十年取得了突破性进展.高温超导微波器件显示了比传统微波器件更优越的性能,已经在移动通信、雷达和一些特殊通信系统中取得了规模化应用.超导量子干涉器件以其磁场和电流测量的超高灵敏度,成为地质勘探、磁共振成像和生物磁成像等领域不可替代的手段.包括超导隧道结混频器、超导热电子混频器、超导转变沿探测器及超导单光子探测器等在内的超导传感器/探测器可以探测全波段的电磁波及各种宇宙辐射,具有接近量子极限的超高灵敏度,在地球物理、天体物理、量子信息技术、材料科学及生物医学等众多前沿领域发挥越来越重要的作用.超导参量放大器已经成为实现超导量子计算的关键器件.超导集成电路技术已被列入国际器件与系统技术路线图,成为后摩尔时代微电子领域的前沿阵地之一.在计量科学中,超导约瑟夫森效应及约瑟夫森结阵器件被广泛应用于量子电压基准和国际单位制基本单位的重新定义中.在当前的量子信息技术热潮中,超导电子学扮演重要角色,同时量子热潮也大力推动了超导电子学的发展.本文主要对近几年我国超导电子学研究和应用的现状与进展进行概括总结.