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太赫兹波段信号的检测

发布日期:2019-12-05

 THz波段的开发和利用中,信号的检测具有举足轻重的重要意义。因为,一方面,与较短波长相比,THz波段光子能量低,背景噪声常常占据显著的地位;另一方面,为了充分 发挥THz系统的作用(例如,发现更微弱的目标、在更远的距离上通讯等等),不断提高接收的灵敏度也是必然的追求。

在不同的频率应选择不同的检测器。在THz的低端,一般倾向于外差式的检测器,而在THz的高端,直接检测器的灵敏度似乎更胜一筹。有关的简况和进一步发展的建议如下。

脉冲THz信号检测的两种方法:(a)光导天线;(b)电光取样。

 

CW THz信号的检测   

1.超外差式检测器(对于频率稍低而谱线分辨率十分重要的场合)

a)室温肖特基二极管混频器,目前的一般水平是本振功率0.5 mW(单管)或35mW(多管)。辐射计的最小可检测温度是0.05K500GHz)或0.5K2500GHz),积分时间1秒,带宽1GHz  今后应着重于降低其噪声和所需的本振功率。

b)超导体一绝缘体一超导体(SIS)结混频器,以及以之为前端的接收机多用在100700 GHz的频率范围,最近已推进到1200 GHz,并将在2007年用于空间飞行(FIRST,全称Far Infra Red and Submillimeter space Telescope;现改称European Space Agencys Herschel)

c)热电子测热电阻(HEB)混频器,以NbNbNNbTiNAlYBCO等材料制成尺寸为微米量级的微桥,THz信号的热效应,使它们有灵敏的响应,响应时间也极快(快声子或电子扩散的机制)。比SIS结混频器的工作频率更高。作为混频器使用,电压响应是在皮秒的量级,因此中频可以达到几千兆,甚至15千兆(取决于材料、尺寸、冷却机制)。目前工作频率已高达5THz,噪声温度约为量子极限的10倍左右,本振功率1100nW的量级。

热电子测热辐射计(HEB):金属在低温下的热容很小,声子与电子系统是去耦的。外加的辐射只加热电子,其温升可以测出。

 

肖特基二极管混频器室温高灵敏超外差检测技术

具体的器件

2.直接检测器(对于频率更高但并不需要极高的谱线分辨率的场合)

a)室温的直接检测器,种类很多,如:小面积GaAs肖特基二极管用作天线耦合的平方率检测器;直接吸收热量后引起电阻变化的普通铋测热电阻;有温度计和读出电路与辐射吸收器集成在一起的复合测热电阻(铋、碲);高兰泡(充气室内吸收热之后,体积有变化,使镜子偏转,用光放大器测出);声测热电阻(用光声检测器测出气泡受热后压力的变化);微测热电阻(用天线把功率耦合到小的吸热区域);快速量热计;等等。

目前,这类直接检测器的标定是很大的问题,响应时间约为秒的量级;灵敏度不高(几微伏)。我们今后的工作应该是:改进和用好已有的器件,使之符合我们的研究的需要

b)冷却的直接检测器,其中,目前已有商品的如:液氦冷却的硅、锗或InSb复合测热电阻,响应时间微秒的量级,4K时噪声等效功率(NEP)约为10-13WHz的量级,冷到毫度时有很大的改进。不少商品的红外检测器对THz也能响应。在冷却的直接检测器方面,还有一些目前没有商品的,如:超导转变边缘测热电阻(超导薄膜条偏置在超导一正常转变的边缘);悬置的微加工的硅条镀以铋,以获得理想的电阻一温度特性,并由此制成阵列;

超导一绝缘一正常金属(SIN)隧道结复合测热电阻。这些检测器的NEP约为10-1710-18 WHz的量级。超导热电子测热电阻(HEB)也可用于转变边缘检测器,NEP约为10-20wHz的量级。

        我们今后的工作应该是:提出新型的THz波检测结构或改进国际上虽已着手研究但尚有许多改进余地的器件。

        鼓励研究THz信号于物质的相互作用,从中发现新的物理效应,据以研制THz信号检测器,注意国际上研究工作的新动向(例如,用高磁场中冷却至50 mk的单电子晶体管和量子点,探测入射的THz光子)。

        研制以超导体-绝缘体-超导体(SIS)结混频器、热电子测热电阻(HEB)混频器为前级的THz波段接收机,实际使用于天文、环境监测登方面。

 

THz的单光子检测

单电子晶体管和量子点(@高磁场&50 mK)NEP10-22 WöHz响应时间:毫秒

        优先鼓励研究THz信号与物质的相互作用,从中发现新的物理效应,据以研制新型THz检测器,注意国际上研究工作的新动向。

        我国南京大学和紫金山天文台也已开展了THz检测和接收方面的研究工作,并取得了一定的成果。

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