CN102636269A

CN102636269A - 脉冲太赫兹辐射源输出波束场形的测量装置及方法

Info

Publication number: CN102636269A
Application number: CN2012101535688A
Authority: CN
Inventors: 谭智勇; 曹俊诚; 陈镇
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2012-05-15
Filing date: 2012-05-15
Publication date: 2012-08-15

Abstract

本发明公开了一种脉冲太赫兹辐射源输出波束场形的测量装置及方法，该装置包括：脉冲太赫兹辐射源，用以辐射出脉冲太赫兹辐射；安装于一低温恒温器中的太赫兹量子阱探测器，用以探测脉冲太赫兹辐射，并产生相应的脉冲电流信号；二维平移台，用以实现太赫兹量子阱探测器及低温恒温器的二维移动；低温恒温器安装于二维平移台上；信号处理电路，与太赫兹量子阱探测器连接，用以将脉冲电流信号提取为脉冲电压信号，并进行放大，输出电信号；示波器，与信号处理电路相连，用以显示放大后的电信号。本发明可直接得到脉冲太赫兹辐射波束在空间某点的功率，进而得到其二维强度分布，且测量精度高，解决了针对小偏压探测器进行信号处理的问题。

Description

脉冲太赫兹辐射源输出波束场形的测量装置及方法

技术领域

本发明属于太赫兹应用技术领域，涉及一种脉冲太赫兹辐射源输出波束场形的测量装置及方法。

背景技术

近年来，随着新型太赫兹（terahertz，1 THz=10¹² Hz）辐射源和探测器的出现，THz技术发展迅速，尤其在THz成像与通信领域。然而，在上述领域中，要实现高速通信和快速成像，均需要用到脉冲THz辐射源和探测器。目前产生脉冲THz辐射的器件主要有THz量子级联激光器（quantum-cascade laser，THz QCL）、GaAs发射天线、差频THz辐射源以及自由电子激光器等；在探测器方面，具有快速响应特性（时间常数在ps量级）的器件主要有THz量子阱探测器（quantum-well photodetector，THz QWP）、热电子测热辐射计（hot-electronbolometer，HEB）等。在2-7THz频段，THz QWP是最为重要的一种快速探测器，自2004年首次被研制成功以来，其性能获得了较大的提高，目前器件的电流响应率在0.5A/W左右，工作温度最高可达25K以上。根据早期对中红外波段量子阱探测器快速响应特性的研究表明，这种类型的探测器的响应速度在GHz量级，适合于高速通信和快速成像等应用。

众所周知，脉冲太赫兹辐射源通常具有比连续辐射源更高的功率输出（峰值功率），尤其是在需要低温工作环境的太赫兹辐射源中。由于缺乏快速的探测器，目前对THz频段脉冲辐射功率的测量通常是采用响应速度相对较快（相对于热探测器）的低温bolometer或者辐射能量计等，通过探测器接收到的能量以及驱动电源的脉冲宽度，计算得到THz脉冲辐射的峰值功率。对于峰值功率的获得来说，上述测量方法存在较大误差。而采用具有快速响应特性的THz QWP探测器来测量则可以很直观地获得脉冲THz辐射的功率，并通过测量不同二维位置点的功率强度很容易地获得输出波束的场形分布。脉冲THz辐射波束功率及场形分布的测量可提高脉冲THz辐射源的应用优势，为开发基于脉冲THz辐射源的应用技术奠定基础。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种脉冲太赫兹辐射源输出波束场形的测量装置及方法，用于直观地测量得到脉冲太赫兹辐射源输出波束场形的二维分布情况。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种脉冲太赫兹辐射源输出波束场形的测量装置及方法。

一种脉冲太赫兹辐射源输出波束场形的测量装置，所述脉冲太赫兹辐射源输出波束场形的测量装置至少包括：

脉冲太赫兹辐射源，用以辐射出脉冲太赫兹辐射；

安装于一低温恒温器中的太赫兹量子阱探测器，用以探测所述脉冲太赫兹辐射，并产生相应的脉冲电流信号；

二维平移台，用以实现太赫兹量子阱探测器及低温恒温器的二维移动；所述低温恒温器安装于二维平移台上；

信号处理电路，与所述太赫兹量子阱探测器连接，用以将所述脉冲电流信号提取为脉冲电压信号，并进行放大，输出电信号；

示波器，与信号处理电路相连，用以显示放大后的电信号。

优选地，所述脉冲太赫兹辐射源输出波束的频率为2.89~6.82THz之间的一个频段或频点。

优选地，所述脉冲太赫兹辐射源为脉冲激射型太赫兹量子级联激光器，其输出太赫兹辐射的频率为3.9THz，输出脉冲宽度为5μs，器件工作偏压为13.5V，工作温度为10K。

优选地，所述低温恒温器为最低工作温度达2.788K的连续流液氦杜瓦。

优选地，所述太赫兹量子阱探测器为低维半导体光电探测器，其峰值探测频率为3.22THz，其可探测频段为2.89~6.82THz，其有源区为通过在半绝缘GaAs衬底上交替生长GaAs层和AlGaAs层的方式形成。

优选地，所述太赫兹量子阱探测器（B2）的尺寸为0.8×0.8mm²，器件工作温度为4.087K，外加偏压为30.5mV，其在3.9THz频率处的响应幅度为峰值响应幅度的75%。

优选地，所述二维平移台为手动和电驱动两用二维平移台。

优选地，所述信号处理电路为两级放大、放大倍数为1500倍且电路带宽为1MHz的基于PCB开发板技术的数字电路。

优选地，所述示波器为数字示波器。

优选地，所述太赫兹量子阱探测器设置于距脉冲太赫兹辐射源波束输出端面预设的距离范围内。

一种利用脉冲太赫兹辐射源输出波束场形的测量装置实现的脉冲太赫兹辐射源输出波束场形的测量方法，所述测量方法包括以下步骤：

S1，脉冲太赫兹辐射源辐射出脉冲太赫兹辐射；

S2，安装于一低温恒温器中的太赫兹量子阱探测器探测所述脉冲太赫兹辐射，并产生相应的脉冲电流信号；

S3，所述低温恒温器安装于二维平移台上；所述二维平移台实现太赫兹量子阱探测器及低温恒温器的二维移动；

S4，与所述太赫兹量子阱探测器连接的信号处理电路将所述脉冲电流信号提取为脉冲电压信号，并进行放大，输出电压信号；

S5，与信号处理电路相连的示波器显示放大后的电压信号；

S6，通过移动二维平移台获得不同二维位置点处脉冲太赫兹辐射强度所对应的电压信号，通过分析不同二维位置点处的电压信号以及太赫兹量子阱探测器与脉冲太赫兹辐射源出射端面的距离，获得脉冲太赫兹辐射源输出波束场形的二维强度分布图。

优选地，在所述步骤S1前还包括预设步骤S0：将内置有太赫兹量子阱探测器的低温恒温器安装于二维平移台上，并根据对脉冲太赫兹辐射源的输出波束特性，将所述太赫兹量子阱探测器、低温恒温器和二维平移台放置于距脉冲太赫兹辐射源波束输出端面一定距离的范围内。

如上所述，本发明的脉冲太赫兹辐射源输出波束场形的测量装置及方法，具有以下有益效果：

1）本发明采用具有快速响应特性的太赫兹量子阱探测器作为脉冲太赫兹辐射的探测装置，可直接得到脉冲太赫兹辐射源输出波束在空间某点的功率，进而得到其二维强度分布。

2）本发明装置采用的单个太赫兹量子阱探测器尺寸小（~0.6mm²），可有效提高脉冲太赫兹波束场形分布测量结果的精度。

3）本发明采用自主研制的针对太赫兹量子阱探测器的信号处理电路，克服了目前商业的通用电路中难以针对小偏压（几十毫伏）探测器进行信号处理的问题。

附图说明

图1显示为本发明所述的脉冲太赫兹辐射源输出波束场形的测量装置的结构示意图。

图2显示为脉冲激射型太赫兹量子级联激光器发射谱与太赫兹量子阱探测器光响应谱对比图。

图3显示为通过本发明所述的测量装置得到的脉冲太赫兹辐射源输出波束场形的二维强度分布图像。

元件标号说明

A1 脉冲太赫兹辐射源；

A2 脉冲太赫兹辐射；

B1 低温恒温器；

B2 太赫兹量子阱探测器；

B3 二维平移台；

B4 信号处理电路；

B5 示波器。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明。

实施例一

本发明提供一种脉冲太赫兹辐射源输出波束场形的测量装置，如图1所示，所述测量装置至少包括脉冲太赫兹辐射源A1、低温恒温器B1、安装于低温恒温器B1中的太赫兹量子阱探测器B2、二维平移台B3、信号处理电路B4和示波器B5。所述脉冲太赫兹辐射源A1用以辐射出脉冲太赫兹辐射A2；所述太赫兹量子阱探测器B2安装于低温恒温器B1中，用以探测所述脉冲太赫兹辐射A2，并产生相应的脉冲电流信号；所述二维平移台B3用以实现太赫兹量子阱探测器B2及低温恒温器B1的二维（X方向和Y方向）移动；所述信号处理电路B4与所述太赫兹量子阱探测器B2连接，用以将所述脉冲电流信号提取为脉冲电压信号，并进行放大；所述示波器B5用以显示经信号处理电路放大后的脉冲电压信号。

所述低温恒温器B1安装于二维平移台B3上，根据对脉冲太赫兹辐射源A1输出波束特性的分析结果，将所述太赫兹量子阱探测器B2及低温恒温器B1和二维平移台B3放置于距脉冲太赫兹辐射源A1波束输出端面一定的距离范围内；所述太赫兹量子阱探测器B2对所述脉冲太赫兹辐射A2响应后产生相应的脉冲电流信号；所述信号处理电路B4将所述脉冲电流信号提取为脉冲电压信号，并将所述脉冲电压信号放大后输入示波器B5中进行读取和显示；通过移动二维平移台B3可以获得不同二维位置点处脉冲太赫兹辐射强度所对应的电压信号，通过分析不同二维位置点处的电压信号以及太赫兹量子阱探测器B2与脉冲太赫兹辐射源A1的距离，可以获得脉冲太赫兹辐射源输出波束场形的二维强度分布图。

下面对脉冲太赫兹辐射源输出波束场形的测量装置中的各个器件分别进行详细描述。

【脉冲太赫兹辐射源A1】

脉冲太赫兹辐射源A1用以辐射出脉冲太赫兹辐射A2。

作为本实施例的一种优选方案，所述脉冲太赫兹辐射源A1为脉冲激射型太赫兹量子级联激光器，其输出太赫兹辐射的频率为3.9THz，输出脉冲宽度为5μs，器件工作偏压为13.5V，工作温度为10K。所述脉冲太赫兹辐射源A1输出波束的频率可以为2.89~6.82THz之间的一个频段或频点。

【低温恒温器B1】

作为本实施例的一种优选方案，所述低温恒温器B1为连续流液氦杜瓦，最低工作温度可达2.788K。

【太赫兹量子阱探测器B2】

所述太赫兹量子阱探测器B2安装于低温恒温器B1中，用以探测脉冲太赫兹辐射A2，并产生相应的脉冲电流信号。

作为本实施例的一种优选方案，所述太赫兹量子阱探测器B2可以为低维半导体光电探测器，其峰值探测频率为3.22THz，其可探测频段为2.89~6.82THz，其有源区为通过在半绝缘GaAs衬底上交替生长GaAs层和AlGaAs层的方式形成。所述太赫兹量子阱探测器B2的尺寸为0.8×0.8mm²，器件工作温度为4.087K，外加偏压为30.5mV，其在3.9THz频率处的响应幅度为峰值（3.22THz）响应幅度的75%。如图2所示，其为脉冲太赫兹量子级联激光器（脉冲太赫兹辐射源A1）发射谱与太赫兹量子阱探测器B2光响应谱的对比图。

【二维平移台B3】

所述二维平移台B3用以实现探测器及其低温恒温器的二维（X方向和Y方向）移动。

作为本实施例的一种优选方案，所述二维平移台B3可以为手动和电驱动两用二维平移台，X方向和Y方向的行程均为100mm，移动精度为0.1mm，最大承重为10kg。

【信号处理电路B4】

所述信号处理电路B4与所述太赫兹量子阱探测器B2连接，用以将所述脉冲电流信号提取为脉冲电压信号，并进行放大，输出电压信号。

所述信号处理电路B4可以采用基于PCB开发板技术的数字电路。作为本实施例的一种优选方案，所述信号处理电路B4为自制电路，采用两级放大方式，放大倍数为1500倍，电路带宽为1MHz。

【示波器B5】

所述示波器B5用以显示经信号处理电路B4放大后的电压信号。

所述示波器B5可以采用数字示波器。作为本实施例的一种优选方案，所述示波器为数字示波器，包括4个可测量通道；所述示波器的测量带宽为500MHz，采样速率为4Gsa/s，存储深度为8Mpts。

本发明所述的脉冲太赫兹辐射源输出波束场形的测量装置可用于测量脉冲太赫兹辐射源输出波束截面的二维分布，其采用了具有快速响应特性的太赫兹量子阱探测器作为探测装置，可直接得到脉冲太赫兹辐射源输出波束在空间某点的功率，进而得到其二维强度分布。

实施例二

配合参阅图1，本实施例提供实施例一所述的脉冲太赫兹辐射输出波束场形的测量装置的一种波束场形的测量方法，所述方法至少包括以下步骤：

步骤一，将内置有太赫兹量子阱探测器B2的低温恒温器B1安装于二维平移台B3上，根据对脉冲太赫兹辐射源（具体为脉冲激射型太赫兹量子级联激光器）A1输出波束特性的分析结果，将所述太赫兹量子阱探测器B2及其低温恒温器B1和二维平移台B3放置于距脉冲太赫兹辐射源A1波束输出端面一定的距离（即预设的距离）范围内（即太赫兹量子级联激光器A1出射端面的辐射范围内）。作为本实施例中的一种优选方案，所述预设的距离范围为太赫兹量子阱探测器B2及其低温恒温器B1放置于距太赫兹量子级联激光器A1出射端面60mm的位置。

步骤二，所述低温恒温器B1中的太赫兹量子阱探测器B2对脉冲太赫兹辐射源A1（太赫兹量子级联激光器）出射的脉冲太赫兹辐射A2进行响应，得到脉冲宽度相同的电流信号；所述信号处理电路B4将所述脉冲电流信号提取为脉冲电压信号，并将所述脉冲电压信号放大后输入示波器B5中进行读取和显示。本步骤的详细实现过程为：

S1，脉冲太赫兹辐射源A1辐射出脉冲太赫兹辐射A2；

S2，安装于一低温恒温器B1中的太赫兹量子阱探测器B2探测所述脉冲太赫兹辐射A2，并产生相应的脉冲电流信号；

S3，所述低温恒温器B1安装于二维平移台B3上；所述二维平移台B3实现太赫兹量子阱探测器B2及低温恒温器B1的二维移动；

S4，与所述太赫兹量子阱探测器B2连接的信号处理电路B4将所述脉冲电流信号提取为脉冲电压信号，并进行放大，输出电压信号；

S5，与信号处理电路B4相连的示波器B5显示放大后的电压信号；

作为本实施例中的一种优选方案，脉冲太赫兹辐射的脉冲宽度为5μs，信号处理电路的放大倍数为1500倍。

步骤三，通过移动二维平移台B3，获得不同二维位置点处脉冲太赫兹辐射强度所对应的电压信号，通过分析不同二维位置点处的电压信号以及太赫兹量子阱探测器B2与太赫兹量子级联激光器A1出射端面的距离，获得脉冲太赫兹辐射源A1（太赫兹量子级联激光器）输出波束场形的二维强度分布图。作为本实施例中的一种优选方案，二维平移过程在X方向和Y方向的移动距离均为24mm，采样间距为2mm，共得到13×13=169个数据点。图3显示为采用太赫兹量子阱探测器B2测量得到的脉冲太赫兹辐射源A1（脉冲激射型太赫兹量子级联激光器）输出波束场形的二维强度分布图像。根据图3测量结果及探测器二维移动平面与激光器出射端面的距离计算可得到，该太赫兹量子级联激光器输出波束的发散角在X和Y方向分别为10°和18°。

本发明采用了具有快速响应特性的太赫兹量子阱探测器作为脉冲太赫兹辐射的探测装置，可直接得到距离辐射源输出端面一定距离范围内的脉冲太赫兹辐射波束在空间某点的功率，进而得到其二维强度分布；且本发明采用的单个太赫兹量子阱探测器尺寸小（~0.6mm²），可有效提高脉冲太赫兹波束场形分布测量结果的精度；另外，本发明采用自主研制的针对太赫兹量子阱探测器的信号处理电路，克服了目前商业的通用电路中难以针对小偏压（几十毫伏）探测器进行信号处理的问题。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种脉冲太赫兹辐射源输出波束场形的测量装置，其特征在于，所述脉冲太赫兹辐射源输出波束场形的测量装置至少包括：

脉冲太赫兹辐射源（A1），用以辐射出脉冲太赫兹辐射（A2）；

安装于一低温恒温器（B1）中的太赫兹量子阱探测器（B2），用以探测所述脉冲太赫兹辐射（A2），并产生相应的脉冲电流信号；

二维平移台（B3），用以实现太赫兹量子阱探测器（B2）及低温恒温器（B1）的二维移动；所述低温恒温器（B1）安装于二维平移台（B3）上；

信号处理电路（B4），与所述太赫兹量子阱探测器（B2）连接，用以将所述脉冲电流信号提取为脉冲电压信号，并进行放大，输出电信号；

示波器（B5），与信号处理电路（B4）相连，用以显示放大后的电信号。

2.根据权利要求1所述的脉冲太赫兹辐射源输出波束场形的测量装置，其特征在于：所述脉冲太赫兹辐射源（A1）输出波束的频率为2.89~6.82THz之间的一个频段或频点。

3.根据权利要求1所述的脉冲太赫兹辐射源输出波束场形的测量装置，其特征在于：所述脉冲太赫兹辐射源（A1）为脉冲激射型太赫兹量子级联激光器，其输出太赫兹辐射的频率为3.9THz，输出脉冲宽度为5μs，器件工作偏压为13.5V，工作温度为10K。

4.根据权利要求1所述的脉冲太赫兹辐射源输出波束场形的测量装置，其特征在于：所述低温恒温器（B1）为最低工作温度达2.788K的连续流液氦杜瓦。

5.根据权利要求1所述的脉冲太赫兹辐射源输出波束场形的测量装置，其特征在于：所述太赫兹量子阱探测器（B2）为低维半导体光电探测器，其峰值探测频率为3.22THz，其可探测频段为2.89~6.82THz，其有源区为通过在半绝缘GaAs衬底上交替生长GaAs层和AlGaAs层的方式形成。

6.根据权利要求1所述的脉冲太赫兹辐射源输出波束场形的测量装置，其特征在于：所述太赫兹量子阱探测器（B2）的尺寸为0.8×0.8mm²，器件工作温度为4.087K，外加偏压为30.5mV，其在3.9THz频率处的响应幅度为峰值响应幅度的75%。

7.根据权利要求1所述的脉冲太赫兹辐射源输出波束场形的测量装置，其特征在于：所述二维平移台（B3）为手动和电驱动两用二维平移台。

8.根据权利要求1所述的脉冲太赫兹辐射源输出波束场形的测量装置，其特征在于：所述信号处理电路（B4）为两级放大、放大倍数为1500倍且电路带宽为1MHz的基于PCB开发板技术的数字电路。

9.根据权利要求1所述的脉冲太赫兹辐射源输出波束场形的测量装置，其特征在于：所述示波器（B5）为数字示波器。

10.根据权利要求1所述的脉冲太赫兹辐射源输出波束场形的测量装置，其特征在于：所述太赫兹量子阱探测器（B2）设置于距脉冲太赫兹辐射源（A1）波束输出端面预设的距离范围内。

11.一种利用权利要求1所述的脉冲太赫兹辐射源输出波束场形的测量装置实现的脉冲太赫兹辐射源输出波束场形的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：

S1，脉冲太赫兹辐射源（A1）辐射出脉冲太赫兹辐射（A2）；

S2，安装于一低温恒温器（B1）中的太赫兹量子阱探测器（B2）探测所述脉冲太赫兹辐射（A2），并产生相应的脉冲电流信号；

S3，所述低温恒温器（B1）安装于二维平移台（B3）上；所述二维平移台（B3）实现太赫兹量子阱探测器（B2）及低温恒温器（B1）的二维移动；

S4，与所述太赫兹量子阱探测器（B2）连接的信号处理电路（B4）将所述脉冲电流信号提取为脉冲电压信号，并进行放大，输出电压信号；

S5，与信号处理电路（B4）相连的示波器（B5）显示放大后的电压信号；

S6，通过移动二维平移台（B3）获得不同二维位置点处脉冲太赫兹辐射（A2）强度所对应的电压信号，通过分析不同二维位置点处的电压信号以及太赫兹量子阱探测器（B2）与脉冲太赫兹辐射源（A1）出射端面的距离，获得脉冲太赫兹辐射源（A1）输出波束场形的二维强度分布图。

12.根据权利要求11所述的脉冲太赫兹辐射源输出波束场形的测量方法，其特征在于，在所述步骤S1前还包括预设步骤S0：将内置有太赫兹量子阱探测器（B2）的低温恒温器（B1）安装于二维平移台（B3）上，并根据对脉冲太赫兹辐射源（A1）的输出波束特性，将所述太赫兹量子阱探测器（B2）、低温恒温器（B1）和二维平移台（B3）放置于距脉冲太赫兹辐射源（A1）波束输出端面一定距离的范围内。