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太赫兹探测器
宽带热电太赫兹探测器的灵敏度不断提升
材料来源:激光世界           录入时间:2010-8-9 18:18:58

薄膜晶体热电探测器的发展、电子元件的改进以及最新的数字信号处理(DSP)锁相放大器软件的出现,使得测量远红外及太赫兹(0.1~30THz)波段50nW的能量成为可能,并且其分辨率可达到2nW。

作者:Don DooleySpectrum Detector公司

宽带室温热电探测器在先进太赫兹源的研发过程中发挥着重要作用。在过去的五年间,人们对太赫兹源的兴趣与资金投入都出现了显著增长。与此同时,为了支持太赫兹源研究,人们对宽带热探测器开发的兴趣也与日俱增。

太赫兹波处于电磁波谱中的远红外与微波波段之间,波长范围约为30~1000µm或者频率范围约为10~0.3THz,人们对这个特殊波段的研究兴趣尤为浓厚。太赫兹辐射能够穿透木材、塑料以及布料等材料,并且能够被水或含有水的材料(例如人体组织)所吸收。由于太赫兹辐射是完全非电离的,其不会像X射线那样对人体产生伤害,因此太赫兹辐射在人体与行李安检、机翼结构的无损测试、癌症生长的早期探测、微电子元件的非破坏性测试以及识别爆炸物的太赫兹光谱学等应用领域颇具吸引力。

在推动太赫兹辐射源以及探测器的创新性研发与改进方面,政府机构发挥了带头作用。美国空军、美国国家自然科学基金会、美国国家标准技术研究院(NIST)以及美国国防部国防先进研究计划署(DARPA)等机构,已经资助了一些小型企业创新研发项目(SBIR),以鼓励产业界加入研发之列,从而为更多的太赫兹应用提供更大(更强)的太赫兹源和更好(更灵敏)的探测器。

太赫兹源与探测器

太赫兹源有多种形式,包括黑体辐射热源、Gunn二极管以及回波振荡器(BWO)、量子级联激光器(QCL)、CO2泵浦的气体激光器以及外差连续波光混频系统等。它们可以输出功率从纳瓦到毫瓦、能量从纳焦到毫焦的连续或脉冲太赫兹波。

太赫兹探测器同样多种多样:例如Golay池(Golay cell)、微测辐射热计、热电探测器等热效应探测器,以及宽带天线、肖特二极管等电子探测器。在这些探测器中,热探测器中的宽带热电太赫兹探测器,最近在性能方面获得了显著提升。

多年以来,Golay池一直是太赫兹探测器的首选,并且也一直是天文学家进行太赫兹测量工作的标准器件。Golay池在太赫兹波段具有较为合理的响应性能(噪声等效功率约为1.2×10-10W/(Hz)1/2)。尽管时至今日人们依然在使用Golay池,但是其存在的一些缺陷已经迫使研究人员寻求其他的热电探测器(见图1)。Golay池存在的缺陷包括:探测器外壳和电源的体积庞大、功率范围有限(通常最大功率为10µW)、需要与窗口一起使用、响应速度慢(25ms),以及价格相对昂贵。

图1:LiTaO3热电探测器与Golay池探测器的相对光谱响应对比。

毫无疑问,微测辐射热计是最灵敏的太赫兹探测器(噪声等效功率约为2×10-12W/(Hz)1/2),但是它们同样也存在很多问题:必须在液氦温度下工作,因此需要较贵的低温箱、物理体积十分庞大(根本无法携带),并且价格昂贵。如果要追求最高性能的话,那么微测辐射热计将是太赫兹探测器的首选;但如果仅是日常使用、进行基本的功率或能量测量,那么选择微测辐射热计就有些不切实际了。

管一直以来热电探测器都很容易获得,并且其具有室温操作、无窗口运转、体积较小以及价格低廉等一些固有优势,但它们却不是太赫兹应用的首选探测器,原因之一是:与Golay池相比,典型的混合式热电探测器的噪声等效功率和探测灵敏度都较差。此外,热电探测器通常作为单一元件供货,因此需要对其进行设计以集成到电路中才能使用。然而值得庆幸的是,在过去的几年中,这种情况已经发生了变化。

提高热电他测器性能

得益于热电材料加工、吸收膜层材料的最新发展,以及在电路噪声性能和数字处理锁相软件方面所取得的进步,热电探测器的性能获得了长足改善,已经能够接近甚至超过Golay池的性能。

目前,人们可以在市场上买到集成易于使用的LabView软件的新型宽带数字辐射计,其能在3~30THz的频率范围内测量50nW的功率,分辨率可达2nW。

热电特测器实质上是交流电流源,其输出电流与材料厚度和温度变化率成反比。描述电流响应度(Ri)的一个简单方程是Ri = p(T)α/ρcpd,其中p(T)代表热电系数,α代表膜层吸收系数,ρ代表晶体密度,cp代表比热,d代表晶体厚度。从这个方程中可以看出:减小晶体厚度、增加膜层吸收将会提高输出电流,从而改善热电探测器的光学性能。

采用新的材料加工技术,例如离子研磨以及离子分层技术,已经能够制作出厚度小于10µm的钽酸锂(LiTaO3)和铌酸锂(LiNO3)。似乎在不远的将来,人们就能获得厚度为几微米的薄膜材料。在过去的几年中,采用标准的光学研磨和抛光技术,人们获得了厚度为25µm的LiTaO3材料,这个厚度已经是LiTaO3材料的加工极限。利用25µm材料制作的探测器,其电流响应度约为1µA/W。目前,人们已经利用新型薄膜材料获得了超过4µA/W的电流响应度,最终的混合型探测器光放大器的噪声等效功率小于1.0×10-10W/(Hz)1/2

尽管目前人们已经能够加工出这些新型薄膜,但并不意味着不再面临挑战:人们仍然需要寻求新的方法对这些薄膜进行处理并转移到载体衬底上,以在随后的加工过程中保护其免受损伤。随着这些方法的不断改进,人们期望制造出大面积探测器(直径5mm),这最终可以使探测率提高10倍。此外,太赫兹天线的尺寸也至关重要,因为将长波长辐射聚焦到小面积探测器上的能力有限。目前,这些薄膜LiTaO3热电探测器已经能在市场上买到(见图2)。

 

2:目前薄膜LiTaO3热电探测器已有商用产品。

尽管目前热电探测器所采用的铬、有机碳黑以及金黑镀膜在0.2~15µm波段的吸收特性已广为人知,但是它们在30~3000µm的太赫兹波段内的属性却还不为人知。尽管热电探测器上采用的单壁和多壁碳纳米管镀膜已经取得了一些极有希望的研究进展,但它们在太赫兹波段的吸收和校准依然是个挑战(见图3)。

 

3:用肉眼可以观察到薄膜热电太赫兹探测器上的多壁碳纳米管吸收膜。

将数字电子元件、数字过采样噪声减少技术以及强大的DSP锁相软件的发展,与模拟热电探测器相结合,能够制造出用于太赫兹测量的便捷、高性能的宽带辐射计。而以前需要同时采用热电探测器、模拟前置放大器、锁相放大器以及光学斩波器才能构建的太赫兹测量系统,则非常笨重。现在,这一切已经变得十分简单——仅仅需要电脑、斩波器以及宽带热电辐射计,就可以测量辐射通量(mW)或辐照度(mW/cm2)(见图4)。

 

图4:现今的宽带热电辐射计系统已显著改善,并配有数字处理锁相软件。

前景展望

尽管宽带热电太赫兹探测器以及相关设备的性能不断改进,但依然需要人们对该领域进行深入研究,以获得更多的改进。目前,人们面临的最大挑战是对0.3~10THz波段的辐射进行光谱测量与校准。尽管目前在美国NIST中尚没有解决该问题的项目,但是世界上许多大学的研究人员都表示愿意协力解决这一难题。许多国家的标准实验室,例如英国的国家物理实验室(NPL)以及德国的国家计量研究所(PTB)都正在针对该问题开展研究工作。随着未来10年太赫兹源、探测器以及太赫兹应用系统市场的增长,可以预计未来用于太赫兹领域的宽带热电探测器的形式、功能以及校准等性能指标都将得以不断提升。


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