太赫茲波探測(cè)器的研究進(jìn)展

仝文浩 睢丙東 王保柱

摘 要：太赫茲波具有瞬態(tài)性、寬帶性、穿透性和低能性等獨(dú)特的性質(zhì)，在材料研究、信息傳輸、環(huán)境檢測(cè)、國(guó)土安全、醫(yī)療健康等方面有著非常廣闊的應(yīng)用前景。作為應(yīng)用的關(guān)鍵，太赫茲探測(cè)器因此得到了各國(guó)研究人員的極大重視。本文重點(diǎn)介紹了太赫茲的探測(cè)技術(shù)并對(duì)其進(jìn)行總結(jié)和分類(lèi)，并在此基礎(chǔ)上分析了太赫茲探測(cè)器的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：太赫茲；探測(cè)器

太赫茲波（簡(jiǎn)稱(chēng)THz）的波長(zhǎng)在0.03～3mm、頻率在0.1～10THz范圍內(nèi)。相對(duì)于其他波段來(lái)說(shuō)，太赫茲波具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。例如，太赫茲波的低能性使其能夠用于無(wú)損檢測(cè)；強(qiáng)穿透性使得直接探測(cè)物品內(nèi)部信息成為可能。但是長(zhǎng)期以來(lái)，由于太赫茲發(fā)射源和太赫茲探測(cè)技術(shù)的匱乏使得人們并未充分利用太赫茲技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于太赫茲探測(cè)器來(lái)說(shuō)，其探測(cè)的主要難度主要在于太赫茲光子能量低使得易于收到背景噪聲的影響。從上世紀(jì)80年代起，隨著一系列新技術(shù)和新材料的發(fā)展，太赫茲技術(shù)從此得以快速發(fā)展。

1 太赫茲探測(cè)技術(shù)的分類(lèi)

1.1 相干探測(cè)技術(shù)

相干探測(cè)的優(yōu)勢(shì)在于靈敏度高、頻譜分辨率高，其劣勢(shì)在于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、成本高，主要有光電導(dǎo)天線(xiàn)采樣法、自由空間電光采樣法和外差法。光電導(dǎo)天線(xiàn)采樣法是利用光電導(dǎo)天線(xiàn)可以探測(cè)太赫茲脈沖，得到太赫茲脈沖的時(shí)域波形和頻譜[1]。其原理是使用半導(dǎo)體光電導(dǎo)天線(xiàn)作為太赫茲接收元件，探測(cè)激光脈沖照射到光電導(dǎo)天線(xiàn)的光電導(dǎo)間隙時(shí)激發(fā)光生載流子，如果恰好太赫茲源發(fā)出的脈沖電場(chǎng)入射到天線(xiàn)的表面，就會(huì)將載流子驅(qū)向天線(xiàn)的兩極形成電勢(shì)差，使得外接的電流指示器產(chǎn)生相應(yīng)示數(shù)。目前最常用的光導(dǎo)天線(xiàn)是在低溫生長(zhǎng)的砷化鎵上制作的[2]，光電導(dǎo)天線(xiàn)探測(cè)器的最大帶寬約為 2THz。自由空間電光采樣法：其探測(cè)原理是利用探測(cè)光與太赫茲輻射所激發(fā)的線(xiàn)性電光效應(yīng)[3]。太赫茲波經(jīng)過(guò)電光晶體引起電光晶體折射系數(shù)的變化使得線(xiàn)偏振的探測(cè)光產(chǎn)生相位延遲，相位延遲的程度和太赫茲脈沖強(qiáng)度成正比。常用的電光晶體有ZnTe，ZnSe，CdTe，GaP等[4]。電光晶體探測(cè)器克服了光生載流子壽命的限制，帶寬約為 10 THz[5]。外差法需要通過(guò)一個(gè)具備非線(xiàn)性伏安特性的混頻器來(lái)進(jìn)行，將本征振蕩信號(hào)和待測(cè)太赫茲信號(hào)進(jìn)行混頻，將待測(cè)信號(hào)的頻率搬移。通過(guò)把難以處理的高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為易于處理的低頻信號(hào)后，再對(duì)搬移后的低頻信號(hào)進(jìn)行放大和測(cè)量[6]。目前，太赫茲波段常用的混頻檢測(cè)器主要有室溫肖特基二極管混頻器、超導(dǎo)SIS混頻器和熱電子輻射熱計(jì)混頻器三種[7]。

1.2 非相干探測(cè)技術(shù)（直接探測(cè)）

非相干探測(cè)僅能測(cè)量太赫茲波強(qiáng)度，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于微型化。非相干探測(cè)技術(shù)是利用光學(xué)系統(tǒng)將太赫茲信號(hào)匯集到探測(cè)器上，引起探測(cè)器的基質(zhì)材料某個(gè)物理特性的變化，再把這個(gè)特性的變化轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的變化，最后經(jīng)放大后讀出。主要包括測(cè)輻射熱計(jì)、熱釋電探測(cè)器、Golay cell探測(cè)器、太赫茲量子阱探測(cè)器（THz QWP）。測(cè)輻射熱計(jì)是利用光敏感材料吸收太赫茲輻射后引起溫度發(fā)生變化使得其電阻發(fā)生相應(yīng)的改變而完成對(duì)目標(biāo)THz波的探測(cè)[8]。熱釋電探測(cè)器的工作原理是利用熱釋電材料的極化率隨溫度的變化制備的一種熱敏型探測(cè)器。將一塊熱電晶體夾在兩個(gè)金屬電極之間，其中上層電極作為一個(gè)在探測(cè)波段透明的輻射吸收體，使得吸收輻射后引起熱釋電材料溫度上升來(lái)改變晶體的極化率從而產(chǎn)生極化電流，通過(guò)檢測(cè)極化電流的變化就可以得到太赫茲輻射強(qiáng)度的變化[9]。Golay cell探測(cè)器是一種響應(yīng)帶寬從毫米波到紅外線(xiàn)的氣體傳感輻射探測(cè)器[10]。太赫茲波照射進(jìn)入射窗口后被吸收薄膜吸收，吸收的輻射能量加熱氣體室中的氣體并發(fā)生膨脹，通過(guò)其后端面上的反射鏡發(fā)生偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致反射光在探測(cè)器上的位置發(fā)生改變[11]。太赫茲量子阱探測(cè)器由上電極層、多量子阱層和下電極層構(gòu)成[12]。在無(wú)電磁波的條件下，電子會(huì)被束縛在量子阱中，此時(shí)器件處于高阻狀態(tài)。在有電磁波的條件下，束縛電子會(huì)吸收太赫茲光子發(fā)生子帶躍遷，電子進(jìn)入準(zhǔn)連續(xù)態(tài)或連續(xù)態(tài)，在外加偏壓下形成光電流使得器件處于低阻狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲輻射的探測(cè)。

1.3 等離子體波太赫茲探測(cè)器

等離子體波太赫茲探測(cè)器是最近幾年發(fā)展形成的一種連續(xù)可調(diào)探測(cè)器[13]，它的原理是利用太赫茲輻射引起晶體管導(dǎo)電溝道中的等離子體激發(fā)，受激發(fā)的等離子體波能夠與太赫茲波發(fā)生共振，并在電荷輸運(yùn)中表現(xiàn)為光電流或光電壓，從而獲得太赫茲信號(hào)的信息。

2 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)現(xiàn)有的太赫茲探測(cè)方式進(jìn)行了分類(lèi)，并分析了不同探測(cè)方式的優(yōu)勢(shì)?？傮w來(lái)講，相比較于相干探測(cè)方式，非相干探測(cè)方式具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、易于集成化的優(yōu)勢(shì)。然而，非相干探測(cè)方式面臨的最大問(wèn)題就是響應(yīng)時(shí)間較慢。近年來(lái)，基于等離子體波太赫茲探測(cè)器展現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)，尤其是在響應(yīng)時(shí)間與探測(cè)靈敏度方面。隨著太赫茲技術(shù)的廣泛應(yīng)用，室溫、高效、高靈敏、易集成的太赫茲探測(cè)器勢(shì)必將是今后發(fā)展的重要方向。

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