[發明專利]一種太赫茲信號檢測裝置

無效

• 申請號: 201310031213.6
• 申請日: 2013-01-28
• 公開（公告）號: CN103090977A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發明（設計）人: 許欽印;日比康詞;陳健;康琳;吳培亨
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01J5/20
• 分類號: G01J5/20;G01J5/02
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 胡建華

技術領域

本發明涉及信號檢測領域，特別是一種太赫茲信號檢測裝置。

背景技術

太赫茲（THz）（1THz＝10¹²Hz）波通常指的是頻率在0.1THz～10THz（波長在3mm～30μm）范圍內的電磁輻射。從頻率上看，該波段位于毫米波和紅外線之間，屬于遠紅外波段；從能量上看，太赫茲波介于在電子和光子之間。在電磁頻譜上，太赫茲波段兩側的紅外和微波技術已經非常成熟，但是太赫茲技術基本上還是一個“空白”，究其緣由是因為在此頻段上，既不完全適合用光學理論來處理，也不完全適合微波理論來研究，從而也就形成了通常所說的“太赫茲空隙”。

20世紀80年代中期以前，由于缺乏有效的太赫茲產生方法和檢測手段，科學家對于該波段電磁輻射性質的了解非常有限。近十幾年來，超快激光技術的迅速發展，為太赫茲脈沖的產生提供了穩定、可靠的激發光源，使太赫茲輻射的產生和應用得到了蓬勃發展。世界各地的科學家都爭先在此領域開發這一新的電磁資源。

太赫茲具有瞬態性、寬帶性、相干性、低能性等獨特性能，在寬帶通信、雷達、電子對抗、電磁武器、天文學、醫學成像、無損檢測、安全檢查等領域產生了深遠的影響。由于太赫茲的頻率很高，所以其空間分辨率也很高；又由于它的脈沖很短，所以具有很高的時間分辨率。太赫茲成像技術和太赫茲波譜技術由此構成了太赫茲應用的兩個主要關鍵技術。同時，由于太赫茲能量很小，不會對物質產生破壞作用，所以與X射線相比更具有優勢。另外，由于生物大分子的振動和轉動頻率的共振頻率均在太赫茲波段，因此太赫茲在糧食選種等農業和食品加工行業有著良好的應用前景。太赫茲的應用仍在不斷的開發研究當中，其廣闊的科學前景為世界所公認。

宇宙中一半輻射的能量都在太赫茲波段，自宇宙大爆炸以來，輻射出的光子有98%也在這一范圍。很多星際介質的特征譜線也在這一范圍，如H₂O，NH₃，O₂，CH⁺等等，獲取這些信息可以研究恒星和星云演化，生命形成等等。天文學家希望能夠比較使用太赫茲波和其他頻率電磁波對宇宙輻射觀測結果中在一些數據質量、觀測深度、角坐標分辨率以及視野等方面所表現的差異，所以他們需要太赫茲波檢測儀器來拓寬視野，這時候就需要開發用于天文觀測的太赫茲二維檢測陣列的成像系統。除此之外，這種高靈敏度太赫茲二維檢測陣列的成像研究在生物學、醫藥科學以及安全等領域也變得越來越重要。

迄今為止，已經有許多研究者在實現太赫茲二維檢測陣列方面作出了眾多努力，不僅有傳統光電導體和半導體輻射熱計，還包括了高靈敏度的超導體檢測器。不同于被廣泛應用于此領域的輻射熱計，超導太赫茲直接檢測器是基于鈮超導隧道結（Superconductor?Tunnel?Junction，簡稱STJ）即Nb/Al/AlO_X/Al/Nb而制備出來的，在這種由超導體-絕緣體-超導體薄膜組成的三明治結構中，絕緣層的厚度和超導體的相干長度相當，則兩超導體之間將會存在某種弱耦合。在微觀上表現為，此結構不僅允許單電子通過，電子可以庫珀對（電子對）的形式通過隧道效應在兩塊超導體之間轉移，但這種轉移幾率很小，從而在兩超導體之間造成了弱連接，它們的電子波函數的相位既不完全相同，又不彼此獨立，而是維持一定的關系。由這種弱耦合而導致的一系列現象即所謂約瑟夫森效應。超導太赫茲直接檢測器就是基于這種約瑟夫森效應的一種太赫茲波量子檢測器，它通過光子輔助隧穿過程來實現對太赫茲波信號的檢測。對比傳統的輻射熱計，它有以下的優點：易于制備成太赫茲二維檢測陣列、大的動態范圍和極短的響應時間。

噪聲等效功率（NEP）是對一個檢測器靈敏度的度量，定義為在輸出信噪比（SNR）為1的情況下，檢測器輸入端接收到的信號功率，單位為一般把NEP看作檢測器可以分辨的最小功率。如公式（1）所示，一般情況下NEP由背景的熱輻射和檢測器自身產生的噪聲兩部分組成，其中背景的熱輻射就是量子（Phonon1）噪聲，即公式中的第一項；檢測器自身產生的噪聲包括電阻的熱噪聲（Johnson），檢測器自身聲子(Phonon2）噪聲，主要由前置放大器（Amplifier）決定的讀出電路產生的噪聲，光子量子噪聲，以及一些額外因素（Excess）引入的噪聲。