一种微波源驱动的超导HEB太赫兹直接检测器北大核心CSCD

本文介绍了一种基于超导氮化铌(NbN)热电子测辐射热计(HEB)的太赫兹(THz)直接检测器,创新性地采用易调控的微波驱动方法,使其偏置在最佳工作点,得到了在4.2K的工作温度下、0.65THz频点的噪声等效功率(NEP)为1.6pW/Hz^(1/2).相比传统加热驱动的方法,微波驱动更易调控,有利于构建阵列读出电路,还可减少功耗等.由于该检测器响应速度快、灵敏度高的特点,有望应用于快速THz成像和脉冲信号检测等系统.     

微波与热偏置下超导HEB太赫兹直接检测器的性能比较

本文介绍了一种基于超导氮化铌(NbN)热电子测辐射热计(HEB)的太赫兹(THz)直接检测器,并利用直流读出法和微波反射读出法,对微波与热偏置下HEB直接检测器的性能进行了比较.通过直流读出法,在最佳工作点处,测得微波偏置与热偏置条件下检测器的电流响应率分别为244A/W和20A/W,光学噪声等效功率(NEP)分别为4.5pW/√Hz和6.8pW/√Hz.相比于热偏置,微波偏置能够大大提高检测器的响应率.此外,我们利用微波反射读出法对微波偏置和热偏置下检测器的性能进行了比较.两种读出方式均可很好的表征检测器的性能,而相比于直流读出法,微波反射读出法更易于扩展到多像素阵列,同时具有很快的读出速度,对快速THz脉冲信号的检测具有重要意义.     

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.     

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。     

高温超导太赫兹辐射源与检测器

利用超导约瑟夫森器件中的约瑟夫森效应,超导材料可用于制备太赫兹辐射源和高灵敏的检测器。由于高温超导材料的能隙较高,因此用高温超导材料制备的太赫兹辐射源与检测器具有工作频率广、工作温度高等优点。文章将简要介绍南京大学超导电子学研究所在高温超导双晶晶界约瑟夫森结检测器和高温超导本征约瑟夫森结太赫兹辐射源等方面的工作进展。     

超高灵敏度太赫兹超导探测技术发展

太赫兹波段占有宇宙微波背景(CMB)辐射以后宇宙空间近一半的光子能量,该波段在天文学研究中具有不可替代的作用,因此太赫兹天文学的研究,具有极其重要的科学意义。本文系统介绍了基于超高灵敏度太赫兹超导探测技术的太赫兹相干探测器发展状况,包括超导隧道结混频器(SIS)和超导热电子混频器(HEB),以及以超导动态电感探测器(MKIDs)和超导相变边缘探测器(TES)为代表的非相干探测器的研究。在此基础上,展望了该领域未来发展趋势,对我国太赫兹天文探测技术的发展具有一定的参考意义。     

高速、低噪声超导HEB太赫兹检测系统

本文介绍了一款高速、低噪声超导热电子测辐射热计(hot electron bolometer,HEB)的太赫兹检测系统,实验结果显示其有效提高了中频带宽(7.4GHz),减小了噪声温度(@0.65THz,系统在最佳偏置点的双边带(DSB)噪声温度为1185K).同时,用此款超导HEB太赫兹检测系统验证了改进后的傅里叶变换光谱仪(FTS)系统的稳定性及可靠性.     

太赫兹检测技术

太赫兹(terahertz,简称THz)检测技术是THz技术应用的一个关键环节,它涉及物理学、材料科学、半导体技术、光电子学和超导电子学,是一门综合性很强的技术。文章介绍了一些比较典型的THz检测技术的原理及其应用,特别是国内学者在这方面的工作。     

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.     

太赫兹通信技术研究进展

对未被分配的空闲频谱资源的需求增长,将不可避免地使无线通信系统的工作频率向更高频率的太赫兹(THz)频段发展。大数据的瞬时传输将采用更高的载波频率,以满足高传输速率的需求。大量的研究表明,THz技术在通信领域的应用与当今比较成熟的微波通信和光纤通信相比,具有更多的优点,比如说,传输速率高,方向性好,安全性高,散射小,以及穿透性好等。文章总结了THz通信的特点及其适用领域,综述了近几年国际上THz通信研究最新进展,给出了未来THz通信系统可能的发展趋势。     

Terahertz wave omnidirectional dielectric mirror

We design an omnidirectional dielectric mirror that operates over a wide terahertz wavelength range and is based on a periodic bilayer (tellurium and polystyrene) structure. The structure is characterized by using transfer matrix calculation. Results of simulation show that the presented dielectric mirror is highly reflecting for all incidence angles and TE as well as TM polarization in the frequency band from 0.451 to 0.821 THz (i.e. wavelength ranges from 365.5 to 665.5 μm), when the incidence angle is less than 45°. Tolerance analysis reveals a large tolerance to fabrication errors.     

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...     

Terahertz BWO-Spectrosopy

Modern Terahertz-subTerahertz (THz-subTHz) spectrometers, based on continuously frequency-tunable coherent sources of radiation, the backward-wave oscillators (BWOs), are described which cover the frequencies v = 1 cm⁻¹ − 50 cm⁻¹ (0.03 − 1.5 THz) and allow for measurements at temperatures 2 − 1000 K, also in magnetic fields. They allow for direct determination of spectra of any optical parameter of a material at millimeter-submillimeter wavelengths, the domain where infrared or microwave spectrometers encounter serious methodological difficulties. We report on new technical abilities of the quasioptical BWO-spectrometers and discuss their main components. We demonstrate abilities of the THz-subTHz BWO-spectroscopy by presenting some latest results on measurements of dielectric, conducting, superconducting and magnetic materials.     

牙本质龋的太赫兹成像研究

牙本质龋与牙髓感染状态及活力密切相关,龋损深度则决定临床治疗方案,但目前牙本质龋的检测及诊断方法如：视诊、探诊容易受到主观因素影响;X线辅助检查对龋病灵敏度低等,都有一定缺陷,可靠性及有效性仍有待提高。太赫兹时域光谱可以利用不同的物理参数成像,在牙本质龋在体、无损检测方面有较大应用潜力。为探索牙本质龋损的太赫兹光谱图像开展本研究。实验通过搭建透射、反射式扫描太赫兹平台,对15枚含牙本质龋离体牙磨片扫描,通过数据二维重构,获得了不同参数的太赫兹透射和反射图像,再将太赫兹图像与实验室研究龋病的光镜图像与X线图像对比、拟合并进行光镜下、太赫兹图像下龋损面积评价。结果表明：太赫兹图像与光镜图像相符,较X线图像灵敏度更高。反射模式下由于太赫兹反射信号较弱,使得样品厚度,表面粗糙程度以及系统噪声对实验结果影响较大,图像仅能辨识样本轮廓,不能用于区分牙釉质、牙本质及牙本质龋。透射模式下的频域1.4 THz相位差成像、时域信号最小值对应的时间成像都能区分牙釉质,牙本质和牙本质龋,可以用来鉴别三者,其中最小值对应的时间成像效果最佳。对光镜下测得牙本质龋损面积与太赫兹透射模式下的时域信号最小值对应的时间图...     

Terahertz applications of carbon nanotubes

We formulate and justify several proposals utilizing unique electronic properties of carbon nanotubes for a broad range of applications to THz optoelectronics, including THz generation by hot electrons in quasi-metallic nanotubes, frequency multiplication in chiral-nanotube-based superlattices controlled by a transverse electric field, and THz radiation detection and emission by armchair nanotubes in a strong magnetic field.     

Terahertz investigations on photoisomerisable compounds

We performed computational terahertz studies on organometallic photoisomerisable compounds, employing both gas phase and solid phase calculations. The calculations demonstrate the potential of employing terahertz techniques on photoisomerisable compounds. In particular, the trans-ligand, counterion and crystal effects are evaluated via the density functional theory calculations. In order to fully understand the terahertz responses of the photoisomerisable compounds, their experimental terahertz spectra were obtained and compared to the calculations. The calculated spectra generally predict the experimentally observed absorption peaks, while combined gas phase and solid phase calculations offer better agreement with the experiments. The first principles calculations also reveal the sensitivity of terahertz signal on the photoisomerisation processes, suggesting a photo-terahertz set-up that could be built in the future to fast screen and fully understand the photoisomerisable compounds, for related applications such as photo-transducer and photo-switch that require photoinduced geometrical changes.     

Terahertz plasmon-emitting graphene-channel transistor

In this work we propose and analyze the possibility of creating terahertz plasmon-emitting graphene-channel transistor. It is shown that at electric pumping the damping of the terahertz plasmons can give way to their amplification, when the real part of the dynamic conductivity of graphene becomes negative in the terahertz range of frequencies due to the interband population inversion.     

Terahertz spectroscopy of human sclera

Structural properties of human scleral tissues are investigated using polarization-dependent terahertz time-domain spectroscopy. Cross-linked tissue shows polarization-independent transmission properties, whereas normal tissue is polarization-dependent. This results from the different structural arrangements of the collagen fibrils that compose the human scleral tissues. In cross-linked tissue, collagen fibrils structurally form interlocking arrangements, unlike the regular parallel arrangement found in normal tissue. Our results demonstrate that terahertz spectroscopy is a powerful tool for investigating the structural characteristics of biological tissues and systems.     

太赫兹技术在医学检测和诊断中的应用研究

近年来太赫兹科学技术日益受到科学界和工业界的重视并得到了较大的发展,太赫兹技术在医学领域上的应用已成为人们关注的重要方面之一。介绍了太赫兹波的特点、太赫兹光谱和成像技术;重点讨论了近年来太赫兹光谱和成像技术在医学检测和诊断领域中的应用和研究进展;并探讨了太赫兹光谱和成像技术发展中需要解决的问题以及今后发展的方向。     

Terahertz Time-Domain Spectroscopy of Solids: A Review

Recent development of the terahertz time domain spectroscopy (THz-TDS) and its application to solids have been reviewed. This spectroscopy is unique in that the time-domain wave forms are measured at first and the complex optical constants are deduced directly by the Fourier transformation of them without resort to the Kramers-Kronig analysis. Various types of the THz-TDS systems are briefly described. Applications of the THz-TDS to various solids, i.e., semiconductors, superconductors, polymers, photonic crystals, and so on are also presented to demonstrate how widely this spectroscopy is applicable to characterization of solids.