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太赫茲波段信號的檢測

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 在THz波段的開發(fā)和利用中，信號的檢測具有舉足輕重的重要意義。因為，一方面，與較短波長相比，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、在更遠的距離上通訊等等），不斷提高接收的靈敏度也是必然的追求。

在不同的頻率應選擇不同的檢測器。在THz的低端，一般傾向于外差式的檢測器，而在THz的高端，直接檢測器的靈敏度似乎更勝一籌。有關的簡況和進一步發(fā)展的建議如下。

脈沖THz信號檢測的兩種方法：（a）光導天線；（b）電光取樣。

 

CW THz信號的檢測   

1．超外差式檢測器（對于頻率稍低而譜線分辨率十分重要的場合）

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）。輻射計的最小可檢測溫度是0.05K（500GHz）或0.5K（2500GHz），積分時間1秒，帶寬1GHz。  今后應著重于降低其噪聲和所需的本振功率。

b）超導體一絕緣體一超導體（SIS）結混頻器，以及以之為前端的接收機多用在100—700 GHz的頻率范圍，最近已推進到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的微橋，THz信號的熱效應，使它們有靈敏的響應，響應時間也極快（快聲子或電子擴散的機制）。比SIS結混頻器的工作頻率更高。作為混頻器使用，電壓響應是在皮秒的量級，因此中頻可以達到幾千兆，甚至15千兆（取決于材料、尺寸、冷卻機制）。目前工作頻率已高達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。

熱電子測熱輻射計(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，其溫升可以測出。

 

肖特基二極管混頻器室溫高靈敏超外差檢測技術

具體的器件

2．直接檢測器（對于頻率更高但并不需要極高的譜線分辨率的場合）

a）室溫的直接檢測器，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器；直接吸收熱量后引起電阻變化的普通鉍測熱電阻；有溫度計和讀出電路與輻射吸收器集成在一起的復合測熱電阻（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，用光放大器測出）；聲測熱電阻（用光聲檢測器測出氣泡受熱后壓力的變化）；微測熱電阻（用天線把功率耦合到小的吸熱區(qū)域）；快速量熱計；等等。

目前，這類直接檢測器的標定是很大的問題，響應時間約為秒的量級；靈敏度不高（幾微伏）。我們今后的工作應該是：改進和用好已有的器件，使之符合我們的研究的需要

b）冷卻的直接檢測器，其中，目前已有商品的如：液氦冷卻的硅、鍺或InSb復合測熱電阻，響應時間微秒的量級，4K時噪聲等效功率（NEP）約為10^-13W／√Hz的量級，冷到毫度時有很大的改進。不少商品的紅外檢測器對THz也能響應。在冷卻的直接檢測器方面，還有一些目前沒有商品的，如：超導轉變邊緣測熱電阻（超導薄膜條偏置在超導一正常轉變的邊緣）；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；

超導一絕緣一正常金屬（SIN）隧道結復合測熱電阻。這些檢測器的NEP約為10^-17到10^-18 W／√Hz的量級。超導熱電子測熱電阻(HEB)也可用于轉變邊緣檢測器，NEP約為10^-20w／√Hz的量級。

        我們今后的工作應該是：提出新型的THz波檢測結構或改進國際上雖已著手研究但尚有許多改進余地的器件。

        鼓勵研究THz信號于物質(zhì)的相互作用，從中發(fā)現(xiàn)新的物理效應，據(jù)以研制THz信號檢測器，注意國際上研究工作的新動向（例如，用高磁場中冷卻至50 mk的單電子晶體管和量子點，探測入射的THz光子）。

        研制以超導體－絕緣體－超導體（SIS）結混頻器、熱電子測熱電阻（HEB）混頻器為前級的THz波段接收機，實際使用于天文、環(huán)境監(jiān)測登方面。

 

THz的單光子檢測

單電子晶體管和量子點（@高磁場&50 mK)NEP＝10^-22 W／?Hz響應時間：毫秒

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

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