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。     

光伏型太赫兹量子阱探测器研究进展

光伏型太赫兹量子阱探测器(PV-THzQWIP)是光伏型量子阱光电探测器(PV-QWIP)在THz波段的扩展,它具有功耗低、暗电流小、噪声水平低以及焦平面阵列(FPAs)热分辨率高等优点,是THz频段技术应用的重要器件之一.文章主要介绍了PV-THzQWIP的工作原理、特点、理论设计及其研究进展.     

高功率太赫兹脉冲半导体探测器的分析与设计

设计了一种基于半导体热电子效应的0.14 THz高功率脉冲探测器.首先根据探测器的结构特点,分析了探测器的工作原理,并推导了探测器的相对灵敏度表达式.接着采用三维电磁场时域有限差分法,模拟计算了探测器的电压驻波比和线性区的相对灵敏度.在优化的结构参数下,探测器在0.14 THz波段的电压驻波比不大于1.3,相对灵敏度约为0.6 kW^-1,且在0.13—0.16 THz频带内波动不超过10%.然后讨论了焦耳热效应对探测器的影响,考察了太赫兹脉冲宽度与输出电压变化率的关系.最后对探测器的 关键词： 高功率太赫兹脉冲 探测器 热电子 灵敏度     

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.     

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.     

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。     

基于太赫兹量子阱探测器的太赫兹量子级联激光器发射谱研究

采用一个光谱匹配的太赫兹(THz)量子阱探测器(QWP)研究了一激射频率约为41 THz的THz量子级联激光器(QCL)在不同驱动电流下的发射谱,分析了测量得到的发射谱谱型和谱峰位置,根据测量的发射谱估算了太赫兹量子级联激光器发射功率随驱动电流变化的情况,从而得到了THz QCL激射的电流密度范围及其阈值电流密度.文中还研究了THz QWP在不同温度下对THz QCL 激光辐射的响应特性.研究结果表明,THz QWP在表征THz QCL的发射谱方面是一种很好的探测器,并有望成为未来THz通信中的接收装置.     

基于太赫兹量子阱探测器的太赫兹量子级联激光器发射谱研究

采用一个光谱匹配的太赫兹(THz)量子阱探测器(QWP)研究了一激射频率约为41 THz的THz量子级联激光器(QCL)在不同驱动电流下的发射谱,分析了测量得到的发射谱谱型和谱峰位置,根据测量的发射谱估算了太赫兹量子级联激光器发射功率随驱动电流变化的情况,从而得到了THz QCL激射的电流密度范围及其阈值电流密度.文中还研究了THz QWP在不同温度下对THz QCL 激光辐射的响应特性.研究结果表明,THz QWP在表征THz QCL的发射谱方面是一种很好的探测器,并有望成为未来THz通信中的接收装置. 关键词： 太赫兹量子阱探测器 太赫兹量子级联激光器 太赫兹通信 Fourier变换红外光谱     

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...     

热电型太赫兹探测器响应度校准技术

为保证太赫兹辐射强度测量的准确可靠,对热电型太赫兹探测器的响应度进行了校准。首先,基于替代法构建了太赫兹探测器响应度校准装置,该装置的合成标准不确定度为2.4%。然后,在1.63 THz频率点处,利用校准装置对12D-3S-VP型太赫兹探测器进行了校准,得到的响应度校准结果为197.6 mV/W,与厂家标称值一致。对自主研制的热电型太赫兹探测器进行了校准,得到的响应度和合成标准测量不确定度分别为362.2 mV/W和2.7%。最后,将校准结果的标准偏差值与合成标准不确定度进行了比较,发现标准偏差值在合理范围内,这进一步证明了校准方法、校准结果以及不确定度分析的合理性。     

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。     

高精度太赫兹探测器响应度定标系统

为了保障太赫兹探测器测试的准确度和可信度,对太赫兹探测器响应度定标溯源技术进行研究,针对常用太赫兹探测器黑体辐射测试技术存在对环境、设备要求高和搭建难度大等问题,以中国计量科学研究院的热电型太赫兹探测器作为计量标准,提出一种校准方案,设计搭建了一套太赫兹探测器响应度定标系统。为提高定标准确度,实验测试了定标光学系统的光束质量,并合理设置光阑孔径以满足定标要求。在0.1 THz频点处对2个响应度未知的场效应自混频太赫兹探测器进行响应度定标。结果表明,定标的相对扩展不确定度为6.80% (k=2),验证了定标系统的可行性,系统可实现太赫兹探测器功率响应度溯源到国家激光功率标准,保障太赫兹功率测量的准确可靠。     

太赫兹量子阱光电探测器光栅耦合的模拟与优化

光栅耦合是量子阱光电探测器探测正入射电磁辐射的常用耦合方法,本文采用模式展开法研究了一维金属光栅太赫兹量子阱光电探测器中的电磁场分布,并给出了器件有源区中的平均光强.研究结果表明,若一维光栅的周期与太赫兹波在器件材料中的波长相当,并且根据器件结构选取合理的光栅占空比,可使器件中的平均光场最强,光栅的光耦合效率最高,从而提高器件的响应率. 关键词： 太赫兹 量子阱光电探测器 光栅     

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.     

太赫兹无损检测的研究

无损检测技术是一种不破坏零件或材料,可直接在现场进行检测的技术,广泛应用于样件的质量评估。太赫兹波具有量子能量低,对大多数非极性物质透明,兼具频谱性和成像性等特点。作为一种新型技术,太赫兹无损检测已经成为现有无损检测技术的有力补充。文章介绍了太赫兹成像系统的工作原理,阐述了基于连续太赫兹成像的无损检测技术在实际样件测试中的应用。实验测试结果表明,一些样件利用太赫兹无损检测技术可测得其内部缺陷。     

光伏型太赫兹量子阱探测器研究进展

光伏型太赫兹量子阱探测器(PV-THzQWIP)是光伏型量子阱光电探测器(PV-QWIP)在THz波段的扩展,它具有功耗低、暗电流小、噪声水平低以及焦平面阵列(FPAs)热分辨率高等优点,是THz频段技术应用的重要器件之一.文章主要介绍了PV-THzQWIP的工作原理、特点、理论设计及其研究进展.     

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.     

强激光与等离子体相互作用产生的超强太赫兹辐射

超短强激光脉冲在等离子体中传播时会激发大振幅的等离子体尾波场，它是一种电子等离子体波．由于这是一种静电波，它一般不能转换成电磁辐射．我们发现在不均匀等离子体中激发的尾波场在一定条件下可以通过线性模式转换产生电磁辐射．由于用超短强激光脉冲尾波场可以达到的电场振幅达100GV／m，其振动频率在太赫兹（10^12Hz）附近，用这种方法可以产生电场强度达到GV／m的太赫兹辐射．