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太赫茲波段信號的檢測

發布日期:2019-12-05

 THz波段的開發和利用中,信號的檢測具有舉足輕重的重要意義。因為,一方面,與較短波長相比,THz波段光子能量低,背景噪聲常常占據顯著的地位;另一方面,為了充分 發揮THz系統的作用(例如,發現更微弱的目標、在更遠的距離上通訊等等),不斷提高接收的靈敏度也是必然的追求。

在不同的頻率應選擇不同的檢測器。在THz的低端,一般傾向于外差式的檢測器,而在THz的高端,直接檢測器的靈敏度似乎更勝一籌。有關的簡況和進一步發展的建議如下。

脈沖THz信號檢測的兩種方法:(a)光導天線;(b)電光取樣。

 

CW THz信號的檢測   

1.超外差式檢測器(對于頻率稍低而譜線分辨率十分重要的場合)

a)室溫肖特基二極管混頻器,目前的一般水平是本振功率0.5 mW(單管)或35mW(多管)。輻射計的最小可檢測溫度是0.05K500GHz)或0.5K2500GHz),積分時間1秒,帶寬1GHz。  今后應著重于降低其噪聲和所需的本振功率。

b)超導體一絕緣體一超導體(SIS)結混頻器,以及以之為前端的接收機多用在100700 GHz的頻率范圍,最近已推進到1200 GHz,并將在2007年用于空間飛行(FIRST,全稱Far Infra Red and Submillimeter space Telescope;現改稱European Space Agencys Herschel)。

c)熱電子測熱電阻(HEB)混頻器,以Nb,NbN,NbTiN,Al,YBCO等材料制成尺寸為微米量級的微橋,THz信號的熱效應,使它們有靈敏的響應,響應時間也極快(快聲子或電子擴散的機制)。比SIS結混頻器的工作頻率更高。作為混頻器使用,電壓響應是在皮秒的量級,因此中頻可以達到幾千兆,甚至15千兆(取決于材料、尺寸、冷卻機制)。目前工作頻率已高達5THz,噪聲溫度約為量子極限的10倍左右,本振功率1100nW的量級。

熱電子測熱輻射計(HEB):金屬在低溫下的熱容很小,聲子與電子系統是去耦的。外加的輻射只加熱電子,其溫升可以測出。

 

肖特基二極管混頻器室溫高靈敏超外差檢測技術

具體的器件

2.直接檢測器(對于頻率更高但并不需要極高的譜線分辨率的場合)

a)室溫的直接檢測器,種類很多,如:小面積GaAs肖特基二極管用作天線耦合的平方率檢測器;直接吸收熱量后引起電阻變化的普通鉍測熱電阻;有溫度計和讀出電路與輻射吸收器集成在一起的復合測熱電阻(鉍、碲);高蘭泡(充氣室內吸收熱之后,體積有變化,使鏡子偏轉,用光放大器測出);聲測熱電阻(用光聲檢測器測出氣泡受熱后壓力的變化);微測熱電阻(用天線把功率耦合到小的吸熱區域);快速量熱計;等等。

目前,這類直接檢測器的標定是很大的問題,響應時間約為秒的量級;靈敏度不高(幾微伏)。我們今后的工作應該是:改進和用好已有的器件,使之符合我們的研究的需要

b)冷卻的直接檢測器,其中,目前已有商品的如:液氦冷卻的硅、鍺或InSb復合測熱電阻,響應時間微秒的量級,4K時噪聲等效功率(NEP)約為10-13WHz的量級,冷到毫度時有很大的改進。不少商品的紅外檢測器對THz也能響應。在冷卻的直接檢測器方面,還有一些目前沒有商品的,如:超導轉變邊緣測熱電阻(超導薄膜條偏置在超導一正常轉變的邊緣);懸置的微加工的硅條鍍以鉍,以獲得理想的電阻一溫度特性,并由此制成陣列;

超導一絕緣一正常金屬(SIN)隧道結復合測熱電阻。這些檢測器的NEP約為10-1710-18 WHz的量級。超導熱電子測熱電阻(HEB)也可用于轉變邊緣檢測器,NEP約為10-20wHz的量級。

        我們今后的工作應該是:提出新型的THz波檢測結構或改進國際上雖已著手研究但尚有許多改進余地的器件。

        鼓勵研究THz信號于物質的相互作用,從中發現新的物理效應,據以研制THz信號檢測器,注意國際上研究工作的新動向(例如,用高磁場中冷卻至50 mk的單電子晶體管和量子點,探測入射的THz光子)。

        研制以超導體-絕緣體-超導體(SIS)結混頻器、熱電子測熱電阻(HEB)混頻器為前級的THz波段接收機,實際使用于天文、環境監測登方面。

 

THz的單光子檢測

單電子晶體管和量子點(@高磁場&50 mK)NEP10-22 W?Hz響應時間:毫秒

        優先鼓勵研究THz信號與物質的相互作用,從中發現新的物理效應,據以研制新型THz檢測器,注意國際上研究工作的新動向。

        我國南京大學和紫金山天文臺也已開展了THz檢測和接收方面的研究工作,并取得了一定的成果。

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