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太赫茲波段信號(hào)的檢測(cè)

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 在THz波段的開發(fā)和利用中，信號(hào)的檢測(cè)具有舉足輕重的重要意義。因?yàn)?，一方面，與較短波長(zhǎng)相比，THz波段光子能量低，背景噪聲常常占據(jù)顯著的地位；另一方面，為了充分 發(fā)揮THz系統(tǒng)的作用（例如，發(fā)現(xiàn)更微弱的目標(biāo)、在更遠(yuǎn)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(yīng)選擇不同的檢測(cè)器。在THz的低端，一般傾向于外差式的檢測(cè)器，而在THz的高端，直接檢測(cè)器的靈敏度似乎更勝一籌。有關(guān)的簡(jiǎn)況和進(jìn)一步發(fā)展的建議如下。

脈沖THz信號(hào)檢測(cè)的兩種方法：（a）光導(dǎo)天線；（b）電光取樣。

 

CW THz信號(hào)的檢測(cè)   

1．超外差式檢測(cè)器（對(duì)于頻率稍低而譜線分辨率十分重要的場(chǎng)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3－5mW（多管）。輻射計(jì)的最小可檢測(cè)溫度是0.05K（500GHz）或0.5K（2500GHz），積分時(shí)間1秒，帶寬1GHz。  今后應(yīng)著重于降低其噪聲和所需的本振功率。

b）超導(dǎo)體一絕緣體一超導(dǎo)體（SIS）結(jié)混頻器，以及以之為前端的接收機(jī)多用在100—700 GHz的頻率范圍，最近已推進(jìn)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(xiàn)改稱European Space Agency’s Herschel)。

c）熱電子測(cè)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(jí)的微橋，THz信號(hào)的熱效應(yīng)，使它們有靈敏的響應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間也極快（快聲子或電子擴(kuò)散的機(jī)制）。比SIS結(jié)混頻器的工作頻率更高。作為混頻器使用，電壓響應(yīng)是在皮秒的量級(jí)，因此中頻可以達(dá)到幾千兆，甚至15千兆（取決于材料、尺寸、冷卻機(jī)制）。目前工作頻率已高達(dá)5THz，噪聲溫度約為量子極限的10倍左右，本振功率1—100nW的量級(jí)。

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

 

肖特基二極管混頻器室溫高靈敏超外差檢測(cè)技術(shù)

具體的器件

2．直接檢測(cè)器（對(duì)于頻率更高但并不需要極高的譜線分辨率的場(chǎng)合）

a）室溫的直接檢測(cè)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(cè)器；直接吸收熱量后引起電阻變化的普通鉍測(cè)熱電阻；有溫度計(jì)和讀出電路與輻射吸收器集成在一起的復(fù)合測(cè)熱電阻（鉍、碲）；高蘭泡（充氣室內(nèi)吸收熱之后，體積有變化，使鏡子偏轉(zhuǎn)，用光放大器測(cè)出）；聲測(cè)熱電阻（用光聲檢測(cè)器測(cè)出氣泡受熱后壓力的變化）；微測(cè)熱電阻（用天線把功率耦合到小的吸熱區(qū)域）；快速量熱計(jì)；等等。

目前，這類直接檢測(cè)器的標(biāo)定是很大的問題，響應(yīng)時(shí)間約為秒的量級(jí)；靈敏度不高（幾微伏）。我們今后的工作應(yīng)該是：改進(jìn)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(cè)器，其中，目前已有商品的如：液氦冷卻的硅、鍺或InSb復(fù)合測(cè)熱電阻，響應(yīng)時(shí)間微秒的量級(jí)，4K時(shí)噪聲等效功率（NEP）約為10^-13W／√Hz的量級(jí)，冷到毫度時(shí)有很大的改進(jìn)。不少商品的紅外檢測(cè)器對(duì)THz也能響應(yīng)。在冷卻的直接檢測(cè)器方面，還有一些目前沒有商品的，如：超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊緣測(cè)熱電阻（超導(dǎo)薄膜條偏置在超導(dǎo)一正常轉(zhuǎn)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(dǎo)一絕緣一正常金屬（SIN）隧道結(jié)復(fù)合測(cè)熱電阻。這些檢測(cè)器的NEP約為10^-17到10^-18 W／√Hz的量級(jí)。超導(dǎo)熱電子測(cè)熱電阻(HEB)也可用于轉(zhuǎn)變邊緣檢測(cè)器，NEP約為10^-20w／√Hz的量級(jí)。

        我們今后的工作應(yīng)該是：提出新型的THz波檢測(cè)結(jié)構(gòu)或改進(jìn)國際上雖已著手研究但尚有許多改進(jìn)余地的器件。

        鼓勵(lì)研究THz信號(hào)于物質(zhì)的相互作用，從中發(fā)現(xiàn)新的物理效應(yīng)，據(jù)以研制THz信號(hào)檢測(cè)器，注意國際上研究工作的新動(dòng)向（例如，用高磁場(chǎng)中冷卻至50 mk的單電子晶體管和量子點(diǎn)，探測(cè)入射的THz光子）。

        研制以超導(dǎo)體－絕緣體－超導(dǎo)體（SIS）結(jié)混頻器、熱電子測(cè)熱電阻（HEB）混頻器為前級(jí)的THz波段接收機(jī)，實(shí)際使用于天文、環(huán)境監(jiān)測(cè)登方面。

 

THz的單光子檢測(cè)

單電子晶體管和量子點(diǎn)（@高磁場(chǎng)&50 mK)NEP＝10^-22 W／?Hz響應(yīng)時(shí)間：毫秒

        優(yōu)先鼓勵(lì)研究THz信號(hào)與物質(zhì)的相互作用，從中發(fā)現(xiàn)新的物理效應(yīng)，據(jù)以研制新型THz檢測(cè)器，注意國際上研究工作的新動(dòng)向。

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