太赫茲波是指頻率在0.1-10 THz,對應(yīng)的波長為3000-30mm的電磁波。該波段相比于與微波、毫米波具有更高的空間與時間分辨率;相比于紅外波段,太赫茲波具有更高的穿透性,并且具有更寬的視場搜索范圍。隨著太赫茲源如太赫茲量子級聯(lián)激光器等的快速發(fā)展和技術(shù)突破,作為太赫茲技術(shù)重要組成部分的太赫茲探測技術(shù)因缺乏足夠研究手段而使得太赫茲技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用一直受到限制。目前應(yīng)用較為普遍的太赫茲探測器有高萊管、硅測熱輻射計(jì)、肖特基二極管直接探測等,然而因使用條件的限制以及探測性能的不足,如高萊管的響應(yīng)時間慢,硅測熱輻射計(jì)限于寬譜測量,肖特基二極管噪聲等效功率高等,使得太赫茲探測技術(shù)一直難以得到突破,尤其在軍事應(yīng)用等對探測器性能有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域難以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。而基于固態(tài)半導(dǎo)體GaAs/AlGaAs體系太赫茲量子阱探測器的研究給太赫茲探測技術(shù)的突破帶來新的途徑,該類型探測器響應(yīng)時間可到亞皮秒級,擁有高響應(yīng)速度、高分辨率、工藝成熟、性能穩(wěn)定以及易于集成等優(yōu)點(diǎn),尤其適合太赫茲波段的高速探測和成像應(yīng)用。太赫茲量子阱探測器是滿足發(fā)展太赫茲技術(shù)應(yīng)用的核心,可為太赫茲成像和太赫茲通訊的發(fā)展提供必要的基礎(chǔ)支撐,尤其在... 

【文章來源】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所)上海市

【文章頁數(shù)】：116 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

太赫茲輻射的多種應(yīng)用

基于光耦合增強(qiáng)的太赫茲量子阱探測器材料和器件研究對于低能量的太赫茲波段一般需要在液氦環(huán)境下才能排除背景輻射的干擾。2、高萊管（Golay Cell）高萊管的探測基于輻射熱導(dǎo)致氣體膨脹來制作的輻射功率計(jì)。為了更好的理解高萊管探測原理，對其探測過程簡述如下：如圖 1.3(b)所示，當(dāng)太赫茲光進(jìn)入該器件被窗口的輻射吸收膜吸收后，能量隨即傳遞到與之相連的封閉氣室改變其中氣體的溫度，此時該氣室中的壓力也隨之升高, 在內(nèi)外壓差的作用下推動與氣室相連的反射鏡偏轉(zhuǎn)，而該偏轉(zhuǎn)量可通過光學(xué)檢測反射鏡的進(jìn)行測量，轉(zhuǎn)動的偏轉(zhuǎn)量越大則太赫茲輻射功率越大，因此該探測器測量前需要對標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行定標(biāo)該探測器的優(yōu)點(diǎn)是可在室溫下進(jìn)行探測，缺點(diǎn)是響應(yīng)時間長，對光譜頻率無法辨別。

段的探測最高頻率為 5 THz，其等效噪聲溫度約為量子極限的 10 倍左右，具體性能如表 1.1 所示。超導(dǎo) HEB 混頻器是由超導(dǎo)微橋和射頻耦合電路構(gòu)成，它是利用熱輻射效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)太赫茲波探測的，如圖 1.4 所示，它的工作原理為：射頻耦合電路通過阻抗匹配將自由空間中的電磁波耦合到中間的超導(dǎo)微橋（微橋通常有鈮（Nb）和氮化鈮（NbN）兩種），電子吸收太赫茲輻射后溫度升高，形成熱電子，然后通過電子-聲子相互作用使得聲子溫度升高，最后能量傳到介質(zhì)基板中重新恢復(fù)到平衡態(tài)，通過探測兩個電極之間熱量的變化來實(shí)現(xiàn)太赫茲探測。它是目前探測頻率在 1 - 6 THz 范圍內(nèi)靈敏度最高的探測器，但是這種結(jié)構(gòu)的尺寸較大，通常工作于低溫環(huán)境（< 7 K）以降低探測器的弛豫時間，從而獲得較寬的測量帶寬，另外中頻帶寬與超導(dǎo)微橋的長度的平方成反比，因此為了保證與天線結(jié)構(gòu)的匹配，在縮短微橋長度的同時，其寬度也要成比例的減小，因此對橋結(jié)構(gòu)加工的精度要求很高[34, 35]。


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