太赫茲波探測器的研究進展

仝文浩 睢丙東 王保柱

摘 要：太赫茲波具有瞬態性、寬帶性、穿透性和低能性等獨特的性質，在材料研究、信息傳輸、環境檢測、國土安全、醫療健康等方面有著非常廣闊的應用前景。作為應用的關鍵，太赫茲探測器因此得到了各國研究人員的極大重視。本文重點介紹了太赫茲的探測技術并對其進行總結和分類，并在此基礎上分析了太赫茲探測器的發展趨勢。

關鍵詞：太赫茲；探測器

太赫茲波（簡稱THz）的波長在0.03～3mm、頻率在0.1～10THz范圍內。相對于其他波段來說，太赫茲波具有獨特的優勢。例如，太赫茲波的低能性使其能夠用于無損檢測；強穿透性使得直接探測物品內部信息成為可能。但是長期以來，由于太赫茲發射源和太赫茲探測技術的匱乏使得人們并未充分利用太赫茲技術的優勢。對于太赫茲探測器來說，其探測的主要難度主要在于太赫茲光子能量低使得易于收到背景噪聲的影響。從上世紀80年代起，隨著一系列新技術和新材料的發展，太赫茲技術從此得以快速發展。

1 太赫茲探測技術的分類

1.1 相干探測技術

相干探測的優勢在于靈敏度高、頻譜分辨率高，其劣勢在于結構比較復雜、成本高，主要有光電導天線采樣法、自由空間電光采樣法和外差法。光電導天線采樣法是利用光電導天線可以探測太赫茲脈沖，得到太赫茲脈沖的時域波形和頻譜[1]。其原理是使用半導體光電導天線作為太赫茲接收元件，探測激光脈沖照射到光電導天線的光電導間隙時激發光生載流子，如果恰好太赫茲源發出的脈沖電場入射到天線的表面，就會將載流子驅向天線的兩極形成電勢差，使得外接的電流指示器產生相應示數。目前最常用的光導天線是在低溫生長的砷化鎵上制作的[2]，光電導天線探測器的最大帶寬約為 2THz。自由空間電光采樣法：其探測原理是利用探測光與太赫茲輻射所激發的線性電光效應[3]。太赫茲波經過電光晶體引起電光晶體折射系數的變化使得線偏振的探測光產生相位延遲，相位延遲的程度和太赫茲脈沖強度成正比。常用的電光晶體有ZnTe，ZnSe，CdTe，GaP等[4]。電光晶體探測器克服了光生載流子壽命的限制，帶寬約為 10 THz[5]。外差法需要通過一個具備非線性伏安特性的混頻器來進行，將本征振蕩信號和待測太赫茲信號進行混頻，將待測信號的頻率搬移。通過把難以處理的高頻信號轉換為易于處理的低頻信號后，再對搬移后的低頻信號進行放大和測量[6]。目前，太赫茲波段常用的混頻檢測器主要有室溫肖特基二極管混頻器、超導SIS混頻器和熱電子輻射熱計混頻器三種[7]。

1.2 非相干探測技術（直接探測）

非相干探測僅能測量太赫茲波強度，其系統結構簡單，便于微型化。非相干探測技術是利用光學系統將太赫茲信號匯集到探測器上，引起探測器的基質材料某個物理特性的變化，再把這個特性的變化轉化為電信號的變化，最后經放大后讀出。主要包括測輻射熱計、熱釋電探測器、Golay cell探測器、太赫茲量子阱探測器（THz QWP）。測輻射熱計是利用光敏感材料吸收太赫茲輻射后引起溫度發生變化使得其電阻發生相應的改變而完成對目標THz波的探測[8]。熱釋電探測器的工作原理是利用熱釋電材料的極化率隨溫度的變化制備的一種熱敏型探測器。將一塊熱電晶體夾在兩個金屬電極之間，其中上層電極作為一個在探測波段透明的輻射吸收體，使得吸收輻射后引起熱釋電材料溫度上升來改變晶體的極化率從而產生極化電流，通過檢測極化電流的變化就可以得到太赫茲輻射強度的變化[9]。Golay cell探測器是一種響應帶寬從毫米波到紅外線的氣體傳感輻射探測器[10]。太赫茲波照射進入射窗口后被吸收薄膜吸收，吸收的輻射能量加熱氣體室中的氣體并發生膨脹，通過其后端面上的反射鏡發生偏轉導致反射光在探測器上的位置發生改變[11]。太赫茲量子阱探測器由上電極層、多量子阱層和下電極層構成[12]。在無電磁波的條件下，電子會被束縛在量子阱中，此時器件處于高阻狀態。在有電磁波的條件下，束縛電子會吸收太赫茲光子發生子帶躍遷，電子進入準連續態或連續態，在外加偏壓下形成光電流使得器件處于低阻狀態，從而實現對太赫茲輻射的探測。

1.3 等離子體波太赫茲探測器

等離子體波太赫茲探測器是最近幾年發展形成的一種連續可調探測器[13]，它的原理是利用太赫茲輻射引起晶體管導電溝道中的等離子體激發，受激發的等離子體波能夠與太赫茲波發生共振，并在電荷輸運中表現為光電流或光電壓，從而獲得太赫茲信號的信息。

2 結語

本文對現有的太赫茲探測方式進行了分類，并分析了不同探測方式的優勢。總體來講，相比較于相干探測方式，非相干探測方式具有系統簡單、易于集成化的優勢。然而，非相干探測方式面臨的最大問題就是響應時間較慢。近年來，基于等離子體波太赫茲探測器展現出極大的優勢，尤其是在響應時間與探測靈敏度方面。隨著太赫茲技術的廣泛應用，室溫、高效、高靈敏、易集成的太赫茲探測器勢必將是今后發展的重要方向。

參考文獻：

[1]李鐵元，婁采云，王黎，黃縉，趙國忠，石小溪. 2009低溫生長砷化鎵光電導天線產生太赫茲波.中國激光，36（4），978-982.

[2]田震.寬帶THz波的光譜整形及Kerr效應對THz波探測的影響[D].天津大學，2007.

[3]金飚兵，單文磊，郭旭光，秦華.2013物理，2013 42（11）：770-780.

[4]宋淑芳.激光與紅外，2012，42（12）：1367-1371.

[5]陳龍超.2012 光電導太赫茲器件關鍵問題及應用研究[D].中國科學院研究生院（西安光學精密機械研究所）.

[6]王祖英.石墨烯太赫茲探測器的設計與加工關鍵技術[D].重慶大學，2014.

[7]羅振飛，周遜，李賾宇，等.基于氧化釩熱敏特性的太赫茲探測器[J].太赫茲科學與電子信息學報，2013，11（3）：328-331.

[8]謝佳林.2015 基于鉭酸鋰晶體的熱釋電太赫茲探測系統的設計[D].電子科技大學.

[9]Golay M J 1949 Review of Scientific Instruments 20（11）816-820.

[10]蔣呈閱.基于鈮酸鋰晶體參量過程產生與探測太赫茲波[D].華中科技大學，2013.

[11]郭旭光，顧亮亮，符張龍，等.太赫茲量子阱探測器研究[J].激光與光電子學進展，2015，52（9）：285-291.

[12]孫建東.2012 室溫高靈敏度場效應自混頻太赫茲波檢測器[D].北京：中國科學院研究生院.