过模结构0.14 THz高功率脉冲探测器研制

基于n型硅在强电场下的热电子效应,初步研制了一种采用过模结构的0.14 THz高功率太赫兹脉冲探测器。该探测器由基模波导WR6、过渡波导、过模波导WR10, n型硅探测芯片和偏置恒流源组成。模拟分析了探测器的工作过程,给出了相对灵敏度表达式,结果表明过模探测器能很好地工作在TE10模式。合理设计了探测芯片的结构参数和加工工艺,完成了探测芯片的加工和探测器样机的制作。将探测器样机在0.14 THz相对论表面波振荡器的辐射场进行了初步的验证性实验,并与二极管检波器的测量结果进行了对比分析。结果表明：过模探测器样机的响应时间在ps量级,相对灵敏度约为0.12 kW-1,最大承受功率至少为数十W,可用于0.14 THz高功率脉冲的直接探测。     

0.14 THz高功率太赫兹脉冲的参数测量

给出了0.14 THz高功率单次脉冲信号的频率和功率的测量方法及实验结果。针对高功率太赫兹脉冲频率高、峰值功率高和脉宽短的特点,实验中采用了截止波导滤波法与谐波混频法相结合的方式准确测定了脉冲信号频率,利用辐射场功率密度积分法获取了辐射脉冲的远场功率分布,并给出了单次脉冲的辐射功率。某实验条件下的测量结果表明,0.14 THz高功率太赫兹脉冲的频率为0.146 3 THz,脉宽约为1.5 ns,功率不小于0.5 MW。     

0.14 THz高功率太赫兹脉冲的参数测量

给出了0.14 THz高功率单次脉冲信号的频率和功率的测量方法及实验结果。针对高功率太赫兹脉冲频率高、峰值功率高和脉宽短的特点,实验中采用了截止波导滤波法与谐波混频法相结合的方式准确测定了脉冲信号频率,利用辐射场功率密度积分法获取了辐射脉冲的远场功率分布,并给出了单次脉冲的辐射功率。某实验条件下的测量结果表明,0.14 THz高功率太赫兹脉冲的频率为0.146 3 THz,脉宽约为1.5 ns,功率不小于0.5 MW。     

太赫兹半导体探测器研究进展

太赫兹（THz）探测器是THz技术应用的关键器件之一.基于半导体的全固态THz量子阱探测器（THzQWIP）具有探测响应速度快、制作工艺成熟、体积小和易集成等优点.文章简要介绍了THz探测器的分类和特点,重点介绍了THzQWIP的工作原理和研究进展.     

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.     

波导内置硅块对高功率太赫兹脉冲的响应

利用三维电磁场时域有限差分法,对0.3~0.4 THz高功率太赫兹脉冲作用下置于矩形波导内部宽边中心的n型硅块响应规律进行了研究。通过对置入硅块前后矩形波导内电磁场分布、电压驻波比及硅块内平均电场的模拟分析,得出硅块几何尺寸和电阻率对上述物理量的响应规律,硅块长、宽、高和电阻率均会对波导内电压驻波系数产生影响,其中以高度影响最为明显;硅块内平均电场在低频段和高频段单调性不一致。最后,在优化硅块长、宽、高及电阻率的基础上,给出了一种可用于该频段高功率太赫兹脉冲直接测量的电阻探测器芯片设计方案,其相对灵敏度约为0.509 kW-1,幅度波动不超过14%,电压驻波比不大于1.34。     

波导内置硅块对高功率太赫兹脉冲的响应

利用三维电磁场时域有限差分法,对0.3~0.4 THz高功率太赫兹脉冲作用下置于矩形波导内部宽边中心的n型硅块响应规律进行了研究。通过对置入硅块前后矩形波导内电磁场分布、电压驻波比及硅块内平均电场的模拟分析,得出硅块几何尺寸和电阻率对上述物理量的响应规律,硅块长、宽、高和电阻率均会对波导内电压驻波系数产生影响,其中以高度影响最为明显;硅块内平均电场在低频段和高频段单调性不一致。最后,在优化硅块长、宽、高及电阻率的基础上,给出了一种可用于该频段高功率太赫兹脉冲直接测量的电阻探测器芯片设计方案,其相对灵敏度约为0.509 kW-1,幅度波动不超过14%,电压驻波比不大于1.34。     

0.14THz高功率太赫兹脉冲的频率测量

提出了采用截止波导法与谐波混频法相结合的方式,进行0.14THz高功率短脉冲的频率测量.首先将两个截止频率分别为0.125和0.15THz的非标准矩形波导作为接收端,通过截止波导滤波法获得了太赫兹辐射源的频率范围.然后根据已知的频率范围,将本振频率选择为15—20GHz,则谐波混频的谐波次数确定为8.随后的Ka波段的脉冲测试和0.14THz连续波测试表明,该8次谐波混频器可用于0.14THz脉冲的混频测量.最后,0.14THz脉冲频率测量实验给出了太赫兹辐射源的准确频率为0.1465THz.该方法大大降低了对本振信号的频率要求,且结果准确可信,为长波段太赫兹脉冲的频率测量提供了一种新的思路.     

日本科学家研制出太赫兹探测器

检测太赫兹（THz）辐射是一件非常麻烦的事。太赫兹波适用于各种成像应用，因为太赫兹波与许多材料都不会发生强烈的相互作用。但是，如果太赫兹波不被吸收，将不会被检测到。日本的研究人员演示了一种直接检测超导隧道结的太赫兹探测器。其灵敏度高、波段宽，可缩放到任何的阵列规格。     

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.     

High-power terahertz pulse sensor with overmoded structure

Based on the hot electron effect in a semiconductor, an overmoded resistive sensor for 0.3-0.4 THz band is investi-gated. The distribution of electromagnetic field components, voltage standing wave ratio （VSWR）, and the average electric field in the silicon block are obtained by using the three-dimensional finite-difference time-domain （FDTD） method. By adjusting several factors （such as the length, width, height and specific resistance of the silicon block） a novel sensor with optimal structural parameters that can be used as a power measurement device for high power terahertz pulse directly is proposed. The results show that the sensor has a relative sensitivity of about 0.24 kW 1, with a fluctuation of relative sensitivity of no more than ±22%, and the maximum of VSWR is 2.74 for 0.3-0.4 THz band.     

太赫兹互补金属氧化物半导体场效应管探测器理论模型中扩散效应研究

针对基于经典动力学理论传统模型中忽略扩散效应的问题,通过对基于玻尔兹曼理论的场效应管传输线模型的理论分析,建立了包含扩散效应的太赫兹互补金属氧化物半导体(CMOS)场效应管探测器理论模型,研究扩散效应对场效应管电导及响应度的影响.同时,将此模型与忽略了扩散效应的传统模型进行了对比仿真模拟,给出了两种模型下的电流响应度随温度及频率变化的差别.依据仿真结果,并结合3σ原则明确了场效应管传输线模型中扩散部分省略的依据和条件.研究结果表明:扩散部分引起的响应度差异大小主要由场效应管的工作温度及工作频率决定.其中工作频率起主要作用,温度变化对差异大小影响较为微弱;而对于工作频率而言,当场效应管工作频率小于1 THz时,模型中的扩散部分可以忽略不计;而当工作频率大于1 THz时,扩散部分不可省略,此时场效应管模型需同时包含漂移、散射及扩散三个物理过程.本文的研究结果为太赫兹CMOS场效应管理论模型的精确建立及模拟提供了理论支持.     

用于瞬态高功率脉冲辐射的超宽带天线设计

基于Valentine天线的辐射原理,设计出可发射峰值电压610 kV、频谱范围0.2~2 GHz高功率脉冲的超宽带天线。利用油作为绝缘介质过渡巴伦可使天线直接加载于50 Ω的同轴波导上;通过优化填充介质及天线拓扑结构提高了耐压能力及辐射特性。仿真结果表明,设计的天线具有低反射、宽频带、高增益和高耐压强度等优点。     

柔软型高功率脉冲馈线带宽特性分析及实验验证

基于馈线结构,分析了影响馈线带宽特性的两个关键因素谐振和高次模。通过测量馈线的时域阻抗和脉冲频谱范围内的S参数,详细研究了它们的影响并进行了实验验证,测试结果表明：馈线周期性阻抗不均匀经傅里叶变换可分解成两个谐波分量,它们导致电压驻波比曲线出现谐振峰。馈线不连续结构激励出TE11和TE21高次模,它们在传输损耗曲线上引起损耗峰。馈线－3 dB带宽由一次谐波分量产生的谐振峰决定,但仍能匹配脉冲频谱的主瓣宽度。最后,根据测试结果,对馈线后续优化设计提出了相应的改进措施。     

Enhancement of terahertz coupling efficiency by improved antenna design in GaN/AlGaN high electron mobility transistor detectors

An optimized micro-gated terahertz detector with novel triple resonant antenna is presented.The novel resonant antenna operates at room temperature and shows more than a 700% increase in photocurrent response compared to the conventional bowtie antenna.In finite-difference-time-domain simulations,we found the performance of the self-mixing GaN/AlGaN high electron mobility transistor detector is mainly dependent on the parameters L gs(the gap between the gate and the source/drain antenna) and L w(the gap between the source and drain antenna).With the improved triple resonant antenna,an optimized micrometer-sized AlGaN/GaN high electron mobility transistor detector can achieve a high responsivity of 9.45×102 V/W at a frequency of 903 GHz at room temperature.     

Determination of the temporal profile of a terahertz pulse by applying the nonlinear-optical cross-correlation method

The nonlinear-optical cross-correlation method is proposed to determine the temporal profile of the electric field of a pulse terahertz radiation modulating the phase of the basic femtosecond laser pulse in an electrooptical crystal. In this method the measurement of the temporal profile of the electric field of the terahertz radiation pulse is realized in one laser pulse.