太赫茲輻射功率密度打孔掃描測量

方 波，高艷姣，樊 靖，程雪濤，蔡晉輝

（1.中國計量大學計量技術國家級實驗教學示范中心，杭州310018；2.中國石油長慶油田分公司技術監測中心，西安714000；3.杭州大華儀器制造有限公司，杭州311400）

0 引 言

太赫茲波是指頻率處于0.1～10 THz，波長0.03 ～3.00 mm 范圍內的電磁波［1］。太赫茲波在電磁波譜上位置特殊，處于電子學向光子學的過渡區域［2］，在傳播、散射、反射、吸收等方面具有眾多特性［3］，具有光子能力低、安全性能好、載波頻率高、帶寬大等特點。太赫茲技術廣泛應用于無損檢測、醫學成像、無線通信、天文、軍事等領域，具有重大的研究價值與廣泛的應用前景［4-6］。

對于太赫茲探測器精確定標、太赫茲相機校準和太赫茲時域光譜系統在內的眾多太赫茲光學系統來說，太赫茲輻射功率密度和光斑尺寸等特性對光路設計和數據分析都具有顯著影響［7］。因此，如何進行太赫茲光路設計以獲得高質量的太赫茲光斑，并對其輻射功率密度進行測量仍是太赫茲器件高精度應用研究的核心之一。Füser等［8］提出了非穩頻太赫茲頻率梳的空間分辨的強度測量方法，實現了0.03～28 THz頻率范圍測量，測量是基于移動太赫茲輻射源進行的，對于體系龐大的太赫茲輻射源無法進行測量。鄧玉強等［9］搭建了一種基于移動電光采樣探測器實現太赫茲輻射強度空間分布的測量裝置，將電光采樣測量和校準的輻射計測量進行比對，實現了100 GHz的連續輻射源強度的測量溯源。孟瑩等［10］利用電光采樣和光電導探測兩種方式，實現了100 GHz輻射源空間輻射功率密度測量。

本文搭建了太赫茲光路系統，利用直接掃描法和打孔法掃描探測太赫茲波，實現了100 GHz輻射源空間輻射功率密度測量，利用打孔掃描法可消除探測器測量數據的卷積影響，提高測量空間分辨率，驗證實驗數據的可靠性，可為太赫茲光路系統的設計和探測器響應度標定提供重要參考。

1 太赫茲輻射功率密度測量方法

像元對每單位輻照功率產生輸出信號電壓，像元單位輻照功率

式中：P為像元所受的輻照功率，W；U為像元響應電壓，V；R為像元響應度，V/W。

中國計量科學研究院研制了在太赫茲波段具有寬吸收光譜、高吸收率的吸收材料，并基于該材料研制了太赫茲輻射功率計，可將太赫茲功率溯源至國家激光功率基準，在國際首次太赫茲功率比對中取得等效一致［11-14］。在輻射頻率為100 GHz處，利用該太赫茲標準輻射功率計對實驗用VDI（Virginia Diodes Inc）商用太赫茲探測器的響應度進行標定。將計算得出的探測器功率值P在探測器接收孔面積內進行微分，即為太赫茲輻射的功率密度Im（x，y）：

2 實驗部分

2.1 實驗光路搭建

本實驗搭建了太赫茲匯聚測量光路，太赫茲光由太赫茲源射出經過第1個離軸拋物面鏡反射后產生平行光束，再被第2個離軸拋物面鏡匯聚；光束通過透鏡組匯聚到平移臺接收面上，其平移臺上裝有VDI太赫茲探測器，測量光路圖見圖1。

圖1 太赫茲匯聚測量光路圖

實驗采用的太赫茲源工作頻率100 GHz，太赫茲探測器接收孔徑5 mm，電控二維平移臺的重復定位精度為1 μm，鍍金膜的90°離軸拋物面鏡焦距為15.24 cm（6英寸），聚乙烯透鏡焦距為10 mm。

2.2 直接掃描法測量太赫茲輻射功率密度

實驗采用直接掃描法得到太赫茲匯聚光斑形狀及功率密度分布，在垂直于光束的方向即光束截面上，以固定步長移動光電探測器，并讀取移動到各點時探測器輸出的信號。所得到的數據經換算后即為光功率密度隨著位置移動的分布，光斑的形狀和功率密度分布可從數據擬合的圖像中得到。

實驗將探測器固定于電控二維平移臺上，光路中探測器在距離第2個透鏡10 mm處采集光斑信息，實驗采用100 GHz太赫茲源，掃描尺寸為20 mm×20mm，采集光斑信息測量結果是光斑功率密度分布的卷積，卷積具有平滑的作用［15］，數據擬合后結果見圖2。

圖2 直接掃描法測量太赫茲功率密度分布圖

2.3 打孔掃描法測量太赫茲輻射功率密度

電控位移平臺每次移動步長1 mm，而所使用的太赫茲探測器的接收孔徑遠大于1 mm，故其測量結果是光斑功率密度分布的卷積。卷積結果會影響太赫茲功率密度的準確測量。為提高測量的空間分辨率，在探測器接收口前端套上錫紙，在錫紙中間打上直徑為1 mm的方孔，改進前后的探測器接收端比對如圖3所示。太赫茲波照射到錫紙表面后無法穿透，故經打孔法改進后的太赫茲探測器的接收孔徑為1 mm。采用改進后打孔法掃描得到采集的光斑信息，測得數據經處理擬合后結果如圖4所示。

圖3 打孔掃描法探測器接收端對比示意圖

圖4 打孔掃描法測量太赫茲功率密度分布圖

3 測量結果對比分析

直接掃描法與打孔掃描法測量的太赫茲輻射峰值功率密度如表1所示。發現經數據處理并進行擬合得到的太赫茲輻射功率密度圖形相似，都存在一個主峰與一個峰值較小的旁瓣，但兩種方法測得結果還是存在一些區別。

表1 直接掃描法與打孔掃描法測量的太赫茲輻射峰值功率密度

直接掃描法測得的輻射功率密度圖形更加平滑，由打孔掃描法測得的太赫茲功率密度分布圖形更加尖銳，兩峰之間的區分更加清晰，空間分辨率更高，但圖形中毛刺更多。分析其原因為直接法測得數據為5 mm×5 mm范圍內的輻射功率均值，而打孔法因測量范圍更小，其由探測器測得的電壓值更低，在同一測量環境與設備的條件下，受背景噪聲的影響更大，從而導致所得輻射功率密度圖形毛刺更多。

對比兩種方法得到的輻射功率密度峰值數據可以發現打孔法的峰值更大。分析原因可能是自制的錫紙方孔邊長1 mm存在誤差，在探測器接收孔徑較小的前提下，方孔尺寸的誤差會對實驗數據產生較大影響。

4 結 語

由于太赫茲波為不可見光，搭建光路獲得太赫茲光斑精確信息存在一定難度，本實驗僅在相同條件下，測量太赫茲輻射的功率密度分布。本文設計搭建了太赫茲匯聚光路，采用了直接掃描法與打孔掃描法兩種探測器掃描測量方式，實現了100 GHz太赫茲輻射功率密度的測量。對比兩種方法，前者具有較高的信噪比，但空間分辨率低；后者具有較高空間分辨率，但信噪比低。本文的研究對太赫茲匯聚光路的搭建，太赫茲輻射功率密度實驗方法的選擇具有一定指導意義。后續將進一步研究優化太赫茲輻射功率密度測量方法，實現高空間分辨率、高信噪比的太赫茲輻射功率密度測量。