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上海墨石

太赫兹检测

类似于太赫兹源, 其检测方式可以分为非相干检测和相干检测。

1. 非相干检测

非相干检测, 即直接检测, 是指利用检波器将检波信号直接转化为电流或电压信号, 得到被测信号的幅度信息. 这种检测方式结构简单、动态范围宽, 适合于对毫米波、远红外线、可见光等频段的检测. 它的一个显著优点是可采用大规模检波阵列进行检测. 然而, 由于其相位信息的缺失, 它难以实现超高分辨率. 用于直接检测的检波器一般分为非制冷型检波器和制冷型检波器. 非制冷型检波一般工作于室温环境, 具有中等的灵敏度和较长的响应时间。制冷型检波器由于其工作温度很低, 可以获得很高的灵敏度和较快的反应时间。

2. 相干检测

不同于非相干检测, 相干检测通常采用类似于传统通信系统中的超外差结构,先将太赫兹信号变换到较低的微波毫米波频段,再采用传统的方式提取信号的幅度和相位. 由于采用了变频方式,相干检测系统较为复杂,需要混频器等关键元器件,同时对混频器以及太赫兹本振源提出了较高的要求, 比如较高的输出功率和较低的噪声等. 值得一提的是, 由于可检测到相位信息,可以获得较高的分辨率.此外, 还可进行信号放大,从而可获得较高的灵敏度. 这种技术被广泛应用于各种高分辨率、高灵敏度的探测场景, 比如深空探测等。 国内紫金山天文台史生才团队在500 GHz 和800 GHz 频段已成功研制了超导混频器, 并应用于射电天文探测

3. 检波器

常用的一些检波器包括

a) 肖特基管检波器:肖特基管不仅可应用于直接检波, 还可作为非线性器件用于超外差接收机。应用在直接检波时, 具有高效率、低成本以及高集成度等优点; 应用于混频接收机系统中, 可以获得高分辨率和高灵敏度.

b) 热电探测器:热电探测器是利用光辐射与物质之间的热敏效应这一特性而设计的器件, 曾被广泛用于远红外线探测, 现已逐步用于太赫兹领域。

c) 半导体测辐射热计: 测辐射热计一般采用高灵敏度的热敏电阻对照射在探测器的热辐射所产生的相应电阻值变化进行检测, 以获得太赫兹波的功率, 一般可探测的频率范围为几十个GHz到几十个THz. 经典的测辐射热计含有重掺杂半导体。

d) 半导体热电子测辐射热计: 通过半导体或超导体中的电子与晶格相互作用来实现测辐射热计的高热传导性和小热容量, 从而使之适合于太赫兹领域. 在半导体热电子测辐射热计中, 其半导体中的非平衡态电子被称为热电子。不同于一般的测辐射热计先让晶格吸收功率再将能量传输给自由载流子, 在这种测辐射热计中, 入射的辐射能量被自由载流子直接吸收, 所以晶格温度保持不变。

e) 超导热电子测辐射热计:为了进一步提高半导体热电子测辐射热计的灵敏度, 该检波器是通过引入介质基片上的NbN 、NbTiN 或Nb 等构成的超导微桥而实现. 按照热电子测辐射热计可以分为两类: 一种是声子冷却热电子测辐射热计;另一种是扩散冷却热电子测辐射热计。

f) 场效应晶体管检波器: CMOS 工艺由于其较低的成本和高集成度, 受到国内外研究人员的广泛关注. 近些年, 基于CMOS 工艺的太赫兹检波技术取得了显著进展. 早期的一些研究中已将场效应晶体管应用于太赫兹检波中,而近期的一些研究中已逐步发展到检波阵列并且集成在THz CMOS 单芯片中。

g) 超导转变边缘传感器(TES):超导转变边缘传感器利用电流加热超导薄膜到超导转变温度,是一种超导非相干检波技术. 当检测太赫兹辐射时, 超导薄膜可以吸收太赫兹光子, 使温度上升, 进而使电阻明显升高. 这将减少流过超导薄膜的电流, 进而降低温度, 逐步回到原来稳定的状态. 这个过程称为电- 热反馈, 在这个过程中可利用高灵敏的电流计读出电流变化. 目前最大规模的TES 检测器阵列应用是安装在美国的JCMT 望远镜上的SCUBA2 探测器阵列。