CN101349712A

CN101349712A - 一种利用超导约瑟夫森结检测太赫兹信号频谱的装置

Info

Publication number: CN101349712A
Application number: CNA2008100228760A
Authority: CN
Inventors: 许伟伟; 陈健; 吴培亨
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2009-01-21

Abstract

本发明公开了一种利用超导约瑟夫森结检测太赫兹信号频谱的装置，其主要改进：1.是利用小型制冷机替代了原系统中的液氮杜瓦制冷。2.由DSP系统中的扫描电压模块，与一个外接的电压－电流转换电路，组成电压控制的电流源，替代原系统中超导约瑟夫森结的电流偏置电路。3.利于DSP数据采集和处理系统替代原系统中锁相放大器，数字万用表。本发明采用先进的DSP技术，将扫描信号的产生，自动化测量控制、锁相放大器等主要功能进行了集成，从而大大减小了仪器的体积，降低了成本，实现了仪器的智能化和小型化。

Description

一种利用超导约瑟夫森结检测太赫兹信号频谱的装置

一、技术领域

本发明涉及一种利用超导约瑟夫森结进行电磁信号测量系统，该系统主要用来进行太赫兹(THz)频谱信息检测。

二、背景技术

近十几年来超快激光技术的迅速发展，极大地促进了太赫兹波的产生、检测和应用技术的发展。这一曾被称为″THz空白″的电磁波段，近几年来的研究取得了许多进展。为了研究并应用太赫兹技术，太赫兹波检测就成为了急需解决的难题。太赫兹波检测方法比较多，各有各的特点，其中，利用超导约瑟夫森结构成频谱信息检测仪，是太赫兹检测技术的研究和应用领域的新成果。

目前THz波的频谱分析仪的使用仅局限于少数大型科研单位，主要原因是相关仪器的尺寸大、价格高。如付立叶频谱分析仪，其尺寸有数立方米，价格也超过千万元，加上操作的复杂性，很难推广于普及应用。利用超导约瑟夫森结构成频谱信息检测仪，不仅体积小且操作简便。这将大大促进THz波的推广应用。

该检测仪主要可以对100GHz到5THz的太赫兹波进行检测，低于这个频带一般可以使用常规微波技术，高于这个频带则可以使用光学手段。而传统的测量设备不是非常适合应用在THz波段，其性能参数在THz波段会有很大的下降。为了提高该波段电磁波的测量精度，我们研究并开发了一套小型THz信号检测系统，该设备是基于Hilbert变换的频谱检测系统。它利用超导约瑟夫森结的I(电流)-V(电压)特性曲线在微波辐照后会出现Shapiro台阶这个物理现象，采用DSP系统实现频谱检测。近年来的相关研究表明，其检测的灵敏度可高达9000V/W，在单一温度下使用单个结的检测频带宽度可达50：1(76GHz至3.1THz)，检测频率可高达4.25THz。这些优势使我们相信基于约瑟夫森结的THz信号频谱检测系统是非常实用的.

超导约瑟夫森结频谱检测原理：当约瑟夫森结两端加上直流电压时，将产生与直流电压成正比的高频电流，若用微波信号照射该结，则其I-V特性曲线上会出现Shapiro台阶，台阶的电压位置与信号的频率大小有明确的关系

V = Φ_{0} [f_{s} + (\frac{δf}{2})] .

利用这一特性可以用约瑟夫森结来测量THz频段的电磁辐射频率谱。根据RSJ模型理论，约瑟夫森结的电压响应函数H(V)与信号的频谱S(f)的Hilbert变换关系

H (V) = \frac{8 Φ_{0}}{π} \frac{I (V) V}{I_{C}^{2} R_{N}^{2}} ΔI (V),

对结的电压响应函数H(V)进行逆Hilbert变换即可得到信号的频谱S(f)。利用这个原理制作成的微弱电磁辐射探测设备不需要另外的本振，就可以得到信号的频率、幅度等信息。因此，我们只需要测量约瑟夫森结对

太赫兹波照射的电压响应，通过Hilbert变换运算即可求得信号的频谱。

已有文献报道的现有超导太赫兹信号频谱检测装置如图1所示，其基本结构部件及功能为：

■约瑟夫森结及制冷装置：约瑟夫森结为该检测仪的核心器件。采用YBa2Cu3O7/MgO、YBa2Cu3O7/YSZ制备而成的双晶约瑟夫森结。用液氮杜瓦达到约瑟夫森结的工作温度。

■电流偏置电路：由信号发生器等组成恒流电流源，给约瑟夫森结的工作状态提供偏置。

■太赫兹信号耦合：利用准光学系统进行信号耦合，由抛物柱面反射镜、超半球硅透镜等组成。它将太赫兹信号汇聚到约瑟夫森结上，改善信号与约瑟夫森结的耦合。

■光学斩波器：对太赫兹信号进行机械调制，并将调制信号的频率以电压的形式输出，作为参考信号。

■太赫兹信号：利用耿氏振荡器做信号源，它产生一个已知频率的太赫兹信号，该频率在系统能够测量的范围以内。

■锁相放大器：去除噪声干扰，提取有效微弱信号。锁相放大器的两个输入分别为前置放大器的输出和光学斩波器的电压输出。

■数字万用表：两个万用表分别检测前置放大器和锁相放大器的输出电压，并将测得的数据通过GPIB传输给计算机，以便进一步处理。

■信号发生器：用来产生指定波形的扫描信号，以便对约瑟夫森结进行电流扫描，便于获得约瑟夫森结的IV特性曲线。

■前置放大器：放大微弱的电压信号，电压为约瑟夫森结上的压降。

■信号处理：由计算机完成信息采集、处理和显示。

■示波器是用于检测约瑟夫森结电流-电压特性用。

但是这种装置的结构复杂，部件较多，体积较大，系统集成度不高，造成成本比较大。

三、发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种新型的利用超导约瑟夫森结检测太赫兹信号频谱的装置，该装置提高了系统集成度、降低了系统体积和成本的同时有效地提高了系统测量效率。

上述的利用超导约瑟夫森结检测太赫兹信号频谱的装置，包括：

约瑟夫森结及其制冷装置：为该装置的核心部件；

准光学系统：置于约瑟夫森结与太赫兹信号源之间，将太赫兹信号汇聚到约瑟夫森结上，改善信号与约瑟夫森结的耦合；

光学斩波器：置于准光学系统与信号源之间，对太赫兹信号进行机械调制，并将调制信号的频率以电压的形式输出，作为参考信号；

太赫兹信号源：由振荡器产生一个太赫兹信号，信号频率在系统能够测量的范围以内；

前置放大器：置于约瑟夫森结之后，用于放大微弱的电压信号，该电压为约瑟夫森结上的压降；

PC：用于数据处理和屏谱显示；

此外，还包括：

DSP数据采集和处理系统：置于前置放大器与斩波器之后，包括由双通道数据采集器、软件LIA构成的锁相放大器、扫描电压和数据传输模块；

压控电流源：上连接DSP数据采集和处理系统，下连接约瑟夫森结，其实质是一个外接的电压—电流转换电路。

上述约瑟夫森结的制冷装置可以采用制冷机，采用制冷机的优点是其只需要电力即可投入运用，对工作环境的适应性强。

上述太赫兹信号源中的振荡器可以采用价格低廉的耿式振荡器，也可以采用半导体振荡器、激光振荡器或者其它形式的振荡器，都可以满足本发明的需要。

本发明在原有设备基础上进行了改进，利用DSP(数字信号处理)系统进行数据采集和处理，替代原有系统中锁相放大器，数字万用表，约瑟夫森结电流偏置等功能部件，使整个系统得以简化。

由于普通的太赫兹频谱检测仪体积庞大，造价昂贵，而利用超导太赫兹信号频谱检测，使系统大为简化，同时扩大了应用范围。为了进一步降低系统成本，提高系统集成度，缩小了体积。本发明采用先进的DSP技术，将扫描信号的产生，自动化测量控制、锁相放大器等主要功能进行了集成，从而大大减小了仪器的体积，降低了成本，实现了仪器的智能化和小型化。

四、附图说明

图1原有测量系统框图；

图2本发明实施的测量系统框图；

图3DSP功能流程图。

五、具体实施方式

本发明的超导太赫兹信号频谱检测装置如图2所示，包括：

约瑟夫森结及其制冷装置：为该装置的核心部件；

PC：用于数据处理和屏谱显示；

系统改进的部分为：

1)GM制冷机：原有系统中使用液氮制冷，为了方便多种场合的应用，本发明利用小型制冷机替代了原系统中的液氮杜瓦制冷，来提供低温环境。

2)扫描电流发生模块：扫描电流发生模块由扫描电压发生模块和压控电流源组成。其中扫描电压发生模块由DSP系统实现，其电压信号由DAC7724产生，该DA芯片为12位的电压输出，可以双电压(10V)或者单电压(+10V)供电。压控电流源为一个外接的“电压—电流”转换电路。此模块替代了原系统的信号发生器和电流偏置电路，使该部分功能与DSP系统融合，从而使整套系统更加便于自动测控，同时也减小了检测仪的体积。

3)DSP数据采集和处理系统：

该部分主要包含双通道数据采集、软件LIA(锁相放大器)、扫描电压模块和数据传输。其中，双通道数据采集由数模转换芯片和DSP配合完成，代替了原系统中的数字万用表，而软件锁相放大器代替了EG&G公司Model 124A的功能。其功能流程图如图3所示。

Claims

1、一种利用超导约瑟夫森结检测太赫兹信号频谱的装置，包括：

约瑟夫森结及其制冷装置：为该装置的核心部件；

PC：用于数据处理和屏谱显示；

其特征在于还包括：

压控电流源：上连接DSP数据采集和处理系统，下连接约瑟夫森结，其实质是一个外接的电压-电流转换电路。

2、根据权利要求1所述的利用超导约瑟夫森结检测太赫兹信号频谱的装置，其特征是：约瑟夫森结的制冷装置是制冷机。

3、根据权利要求1所述的利用超导约瑟夫森结检测太赫兹信号频谱的装置，其特征是：太赫兹信号源中的振荡器为耿式振荡器。