太赫兹波段信号的检测

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 在THz波段的开发和利用中，信号的检测具有举足轻重的重要意义。因为，一方面，与较短波长相比，THz波段光子能量低，背景噪声常常占据显著的地位；另一方面，为了充分 发挥THz系统的作用（例如，发现更微弱的目标、在更远的距离上通讯等等），不断提高接收的灵敏度也是必然的追求。

在不同的频率应选择不同的检测器。在THz的低端，一般倾向于外差式的检测器，而在THz的高端，直接检测器的灵敏度似乎更胜一筹。有关的简况和进一步发展的建议如下。

脉冲THz信号检测的两种方法：（a）光导天线；（b）电光取样。

 

CW THz信号的检测   

1．超外差式检测器（对于频率稍低而谱线分辨率十分重要的场合）

a）室温肖特基二极管混频器，目前的一般水平是本振功率0.5 mW（单管）或3－5mW（多管）。辐射计的最小可检测温度是0.05K（500GHz）或0.5K（2500GHz），积分时间1秒，带宽1GHz。  今后应着重于降低其噪声和所需的本振功率。

b）超导体一绝缘体一超导体（SIS）结混频器，以及以之为前端的接收机多用在100—700 GHz的频率范围，最近已推进到1200 GHz，并将在2007年用于空间飞行（FIRST，全称Far Infra Red and Submillimeter space Telescope；现改称European Space Agency’s Herschel)。

c）热电子测热电阻（HEB）混频器，以Nb，NbN，NbTiN，Al，YBCO等材料制成尺寸为微米量级的微桥，THz信号的热效应，使它们有灵敏的响应，响应时间也极快（快声子或电子扩散的机制）。比SIS结混频器的工作频率更高。作为混频器使用，电压响应是在皮秒的量级，因此中频可以达到几千兆，甚至15千兆（取决于材料、尺寸、冷却机制）。目前工作频率已高达5THz，噪声温度约为量子极限的10倍左右，本振功率1—100nW的量级。

热电子测热辐射计(HEB)：金属在低温下的热容很小，声子与电子系统是去耦的。外加的辐射只加热电子，其温升可以测出。

 

肖特基二极管混频器室温高灵敏超外差检测技术

具体的器件

2．直接检测器（对于频率更高但并不需要极高的谱线分辨率的场合）

a）室温的直接检测器，种类很多，如：小面积GaAs肖特基二极管用作天线耦合的平方率检测器；直接吸收热量后引起电阻变化的普通铋测热电阻；有温度计和读出电路与辐射吸收器集成在一起的复合测热电阻（铋、碲）；高兰泡（充气室内吸收热之后，体积有变化，使镜子偏转，用光放大器测出）；声测热电阻（用光声检测器测出气泡受热后压力的变化）；微测热电阻（用天线把功率耦合到小的吸热区域）；快速量热计；等等。

目前，这类直接检测器的标定是很大的问题，响应时间约为秒的量级；灵敏度不高（几微伏）。我们今后的工作应该是：改进和用好已有的器件，使之符合我们的研究的需要

b）冷却的直接检测器，其中，目前已有商品的如：液氦冷却的硅、锗或InSb复合测热电阻，响应时间微秒的量级，4K时噪声等效功率（NEP）约为10^-13W／√Hz的量级，冷到毫度时有很大的改进。不少商品的红外检测器对THz也能响应。在冷却的直接检测器方面，还有一些目前没有商品的，如：超导转变边缘测热电阻（超导薄膜条偏置在超导一正常转变的边缘）；悬置的微加工的硅条镀以铋，以获得理想的电阻一温度特性，并由此制成阵列；

超导一绝缘一正常金属（SIN）隧道结复合测热电阻。这些检测器的NEP约为10^-17到10^-18 W／√Hz的量级。超导热电子测热电阻(HEB)也可用于转变边缘检测器，NEP约为10^-20w／√Hz的量级。

        我们今后的工作应该是：提出新型的THz波检测结构或改进国际上虽已着手研究但尚有许多改进余地的器件。

        鼓励研究THz信号于物质的相互作用，从中发现新的物理效应，据以研制THz信号检测器，注意国际上研究工作的新动向（例如，用高磁场中冷却至50 mk的单电子晶体管和量子点，探测入射的THz光子）。

        研制以超导体－绝缘体－超导体（SIS）结混频器、热电子测热电阻（HEB）混频器为前级的THz波段接收机，实际使用于天文、环境监测登方面。

 

THz的单光子检测

单电子晶体管和量子点（@高磁场&50 mK)NEP＝10^-22 W／öHz响应时间：毫秒

        优先鼓励研究THz信号与物质的相互作用，从中发现新的物理效应，据以研制新型THz检测器，注意国际上研究工作的新动向。

        我国南京大学和紫金山天文台也已开展了THz检测和接收方面的研究工作，并取得了一定的成果。