CN102721468B

CN102721468B - 一种太赫兹波探测器

Info

Publication number: CN102721468B
Application number: CN201210213086.7A
Authority: CN
Inventors: 侯磊; 施卫
Original assignee: Xian University of Technology
Current assignee: Anhui Taijian Linfeng Photoelectric Technology Co ltd
Priority date: 2012-06-26
Filing date: 2012-06-26
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2032-06-26
Also published as: CN102721468A

Abstract

一种太赫兹波探测器，包括斩波器（1）和聚乙烯透镜（2），其特征在于：还包括氖灯（3），所述氖灯（3）与直流电源（4）和电流表（5）构成闭合回路；所述氖灯（3）的输出端与电容器（6）、放大器（7）及示波器（8）或锁相放大器（11）构成闭合回路；所述斩波器（1）置于所述聚乙烯透镜（2）之前，所述氖灯（3）置于所述聚乙烯透镜（2）的焦点位置，所述斩波器（1）的调制信号被输入所述示波器（8）中作为参考信号。本发明以价格低廉的氖灯作为探测元件，不仅降低了太赫兹波探测器的生产成本，而且提高了太赫兹波探测器的响应速度，同时，响应波段较宽，且当太赫兹电磁波的功率较高时，不会损坏探测器，也不会出现饱和现象。

Description

一种太赫兹波探测器

技术领域

本发明属于太赫兹波检测技术领域，涉及一种太赫兹波探测器。

背景技术

太赫兹（THz）电磁波通常指波长在3mm-30μm（100GHz-10THz）区间的远红外电磁辐射，其波段位于微波和红外光之间，由于其独特性质，如瞬态性，宽带性，相干性，低能性等，受到人们的广泛关注。

很多对红外和可见光不透明材料对太赫兹波是透明的，因此发展了太赫兹波成像技术，目前，该技术已应用于安全检查，无损检测，质量控制等领域。在连续太赫兹波成像系统中，虽然使用一个具有固定频率的太赫兹源和单个探测器的成像系统不能提供物质的深度、频谱和时域信息，但是它体积小巧、结构简单、价格相对较低，因此连续太赫兹波成像系统在目前的太赫兹成像技术中被广泛使用。连续太赫兹波成像的理论已提出几十年，但是该领域中的挑战仍然存在于开发新的太赫兹波发射源或者提高太赫兹波发射源的功率以及提高太赫兹波的检测技术。目前使用的太赫兹波探测器大多都需要低温冷却系统，其响应速度慢，价格昂贵。常用的室温太赫兹波探测器有三种：肖特基二极管，焦热电探测器和高莱探测器。

肖特基二极管（Schottky diode）是一种低功耗、超高速半导体器件。噪声等效功率（NEP）小于10^-10W/Hz^1/2，调制频率可达kHz以上，响应率在100-3000V/W之间。虽然利用差频检测技术可以探测频率高于1.5THz的电磁波，但是响应率很低，并且所需要的本征振荡器的功率是当前的技术很难达到的。肖特基二极管对静电放电非常敏感，操作过程中要接地，否则容易损坏探测器。

焦热电探测器（Pyroelectric detector）是利用热释电材料的自发极化强度随温度变化的效应制成的一种热敏型红外探测器。在室温工作时，对波长没有选择性，可以探测0.1-10THz范围内的电磁辐射。其NEP小于10^-11W/Hz^1/2，但是响应速度慢，一般采用几十赫兹的调制频率。

高莱探测器（Golay Cell）的原理是当太赫兹辐射通过接收窗口照射吸收薄膜时，吸收薄膜将能量传递给与之相连的气室，使气体温度和气压升高。以此驱动与气室相连的反射镜膨胀偏转，通过光学方法检测反射镜的移动量，即可间接地测量THz辐射。这种探测器的优点是对波长无选择性，响应波段宽（0.1-1000THz），响应率为1.5×10⁵V/W，NEP小于10-¹¹W/Hz^1/2，且能在室温条件下工作，使用方便。但是由于其响应速度慢，一般只用于辐射变化缓慢的场合，调制频率一般只有20Hz。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太赫兹波探测器，以解决现有技术存在的价格昂贵且响应速度慢的问题。

本发明的目的是这样实现的，一种太赫兹波探测器，包括斩波器和聚乙烯透镜，还包括氖灯，所述氖灯与直流电源和电流表构成闭合回路；所述氖灯的输出端与电容器、放大器及示波器或锁相放大器构成闭合回路；所述斩波器置于所述聚乙烯透镜之前，所述氖灯置于所述聚乙烯透镜的焦点位置，所述斩波器的调制信号也被输入所述示波器或锁相放大器中作为参考信号。

所述氖灯与所述直流电源之间接有保护电阻，即所述氖灯与保护电阻、直流电源和电流表构成闭合回路。

所述电容器与放大器之间设有滤波器，即所述氖灯的输出端与电容器、滤波器、放大器和示波器或锁相放大器构成闭合回路。

所述氖灯的玻璃壁的厚度为0.3-0.5mm，抛光光洁度小于1μm。

所述氖灯的玻璃壁的背面贴有金属膜或者镀有金属薄膜。

本发明具有如下有益效果，

1、本发明以价格低廉的氖灯作为探测元件，由氖灯放电产生的等离子体对太赫兹电磁波的响应时间仅为微秒量级，且本发明在室温条件下工作时不需要任何冷却装置，因此，与现有技术相比，本发明不仅大幅度降低了太赫兹波探测器的生产成本，而且大幅度提高了太赫兹波探测器的响应速度。

2、与现有技术相比，本发明响应波段较宽，频谱响应范围从微波到0.7THz；同时，因为气体的电离率随入射太赫兹波功率增加线性增加，所以，当太赫兹电磁波的功率较高时，不会损坏探测器，也不会出现饱和现象。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明所测得的频率为0.2THz的电磁波信号；

图3为本发明对0.2THz的电磁波的响应率随放电电压的变化关系；

图4为本发明在不同的放电电流下的噪声功率谱；

图5为本发明分别探测频率为0.1THz、0.2THz和0.37THz的电磁波信号；

图6为本发明透射式成像系统的示意图。

图中，1.斩波器、2.聚乙烯透镜、3.氖灯、4.直流电源、5.电流表、6.电容器、7.放大器、8.示波器、9.保护电阻、10.滤波器、11.锁相放大器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种太赫兹波探测器，参见图1，包括斩波器1、聚乙烯透镜2、氖灯3，氖灯3与直流电源4、电流表5构成闭合回路；氖灯3的输出端与电容器6、放大器7和示波器8构成闭合回路；斩波器1置于聚乙烯透镜2之前，氖灯3置于聚乙烯透镜2的焦点位置，斩波器1的调制信号也被输入示波器8中作为参考信号。

本发明对氖灯3结构进行了改进：

（1）氖灯3的玻璃壁对太赫兹电磁波有强烈的吸收，因此，本发明使用精密抛光机对氖灯3玻璃壁进行抛光，减小厚度，使其抛光光洁度小于1μm，厚度0.3-0.5mm。

（2）太赫兹波经过氖灯3的辉光放电区域时，只有少部分的太赫兹连续波能够与放电气体相互作用，为了将透过放电区域的太赫兹连续波重新反射并汇聚到辉光放电区域，在氖灯3玻璃壁的背面贴上一层金属膜，也可以利用电子束蒸发或磁控溅射的方法镀上一层金属薄膜作为反射镜。

使用电压源时，要在电路中串联保护电阻9，使氖灯3与保护电阻9、直流电源4和电流表5构成闭合回路。保护电阻9用以限制通过氖灯3的放电电流，并使氖灯3放电稳定。保护电阻9的阻值大于100Ω，阻值越大，氖灯放电越稳定，但是电源提供的放电电压也越高。

使用电流源时，电路中可以不用保护电阻9，这样可以降低整个系统的功耗。实验中，放电电流从0.1mA-20mA连续可调。

为了提高探测效果，电路中可设置滤波器10，使氖灯3的输出端与电容器6、滤波器10、放大器7和示波器8构成闭合回路。

斩波器1的调制频率从2Hz到20kHz之间调节。

电容器6的大小取决于斩波器1的调制频率，

f是斩波器1的调制频率，R是与信号通路并联的等效电阻。

滤波器10为带通滤波器，其谐振频率设置为斩波器的调制频率。

放大器的放大倍数从1-1000，根据被测太赫兹波的强度进行调节。

当给氖灯3所施加的电压高于气体的击穿电压时，气体被击穿，在两电极之间形成不连续的辉光放电区域。经过斩波器1调制之后的太赫兹连续波被聚乙烯透镜2聚焦后照射在氖灯3的两电极之间的辉光放电区域。在太赫兹连续波的作用下，辉光放电区域的氖原子的电离率增加，引起回路中电流变化，从而引起氖灯3两端偏置电压的变化。由于该电压的变化量与太赫兹连续波的功率成正比，因此可以利用该电压的变化量来反映太赫兹连续波的功率大小，这就是利用氖灯探测太赫兹连续波的原理。在氖灯3两端连接的电容器6可以滤除在直流偏置电场下氖灯放电形成的直流信号，然后将这一由斩波器1调制的太赫兹连续波引起的氖灯3两端电压变化的信号输入示波器8，同时将斩波器1的调制信号输入到示波器8的另一通道作为触发信号。通常在信号进入示波器8之前，要通过带通滤波器和一个放大器7来提高信号的信噪比和响应率。

图2为本发明测得的0.2THz的电磁波信号。实验中，太赫兹波发射源为0.2THz的耿氏振荡器，输出太赫兹波的功率为40mW，斩波器1频率为900Hz，放电电流为9mA，没有使用滤波器10，放大器的放大倍数为1。图中虚线为斩波器1的调制信号的波形，实线是所测得的太赫兹信号。

图3为本发明对0.2THz的电磁波的响应率随放电电压的变化关系。考虑到氖灯3的玻璃壁对太赫兹电磁波的吸收和散射以及由于太赫兹波束尺寸与氖灯3电极尺寸的不匹配，只有不到1%的0.2THz的电磁波被氖灯接收到，因此，在计算响应率时，太赫兹连续波的功率取总太赫兹连续波功率的1%。从图中可以看到，本发明太赫兹波探测器的响应率随着放电电流的增加而增加并逐渐趋于饱和，当放电电流为9mA时，太赫兹波探测器的响应率为55V/W。图中的误差线表明当放电电流较大的时候，氖灯3工作状态较稳定，但是当放电电流大于15mA时，氖灯3由辉光放电过渡到弧光放电，工作状态极不稳定。

图4为本发明太赫兹波探测器在不同的放电电流下的噪声频谱。从图中可以看出，随着放电电流的增加，噪声减小。其原因是氖灯3放电产生的噪声可分为散射噪声和二次电子发射噪声。散射噪声是由于带电粒子的碰撞率的波动导致的，散射噪声非常小，并且随着放电电流的增加而缓慢减小。二次电子发射噪声是由于到达氖灯3的阳极上的能够引起二次电子发射的电子数目的波动导致的。随着放电电流增加，二次电子发射噪声迅速减小。

本发明太赫兹波探测器的噪声等效功率（NEP）可由下式计算：

NEP = \frac{\sqrt{S_{v}}}{R_{ep}}

从图4可知，当斩波器频率为900Hz，放电电流为9mA时，噪声功率密度（Sv）等于-123.2dBV²/Hz，根据图3可知响应率（R_ep）为55V/W。计算可得在此条件下，本发明太赫兹波探测器的NEP为1.26×10^-8W/Hz^1/2。

图5是利用本发明太赫兹波探测器分别探测频率为0.1THz、0.2THz和0.37THz的电磁波信号图，斩波器1的频率为200Hz。图中太赫兹波强度是被太赫兹波发射源的功率归一化之后的结果，即用所测太赫兹波强度除以太赫兹波发射源的功率。这样从图中可以非常清晰地看出随着被测太赫兹波频率的增加，氖灯3的响应率降低。这主要是由于氖灯3的玻璃壁对太赫兹电磁波的吸收系数随频率的升高而增加。

图6是利用本发明太赫兹波探测器的透射式太赫兹成像系统的示意图。成像样品由在电路板上制作的一系列金属图案形成，样品尺寸为60mm×60mm。分别采用肖特基二极管和本发明太赫兹波探测器，设定扫描的空间步长为0.25mm，锁相放大器11的时间常数为10ms，氖灯3的放电电流为5.5mA，得到利用本发明太赫兹波探测器和肖特基探测器采集的样品的太赫兹图像。利用迈克尔逊对比度公式：

C = \frac{I_{\max} - I_{\min}}{I_{\max} + I_{\min}}

计算可得由本发明太赫兹波探测器采集的太赫兹图像的对比度为0.994，由肖特基探测器采集的太赫兹图像的对比度为0.986。结果表明，两幅图像的对比度几乎相同。

定义成像的空间分辨率为当样品上的金属膜垂直切过太赫兹光束时，当太赫兹波的强度由总强度的90%降至10%时，金属薄膜的位移。计算得到使用本发明太赫兹波探测器的空间分辨率为1.65mm，而使用肖特基二极管作为探测器的太赫兹成像系统的空间分辨率为2.05mm。说明本发明太赫兹波探测器的空间分辨率略好于肖特基二极管。

Claims

1.一种太赫兹波探测器，包括斩波器（1）和聚乙烯透镜（2），其特征在于：还包括氖灯（3），所述氖灯（3）与直流电源（4）和电流表（5）构成闭合回路；所述氖灯（3）的输出端与电容器（6）、放大器（7）及示波器（8）或锁相放大器（11）构成闭合回路；所述斩波器（1）置于所述聚乙烯透镜（2）之前，所述氖灯（3）置于所述聚乙烯透镜（2）的焦点位置，所述斩波器（1）的调制信号被输入所述示波器（8）或锁相放大器（11）中作为参考信号；所述氖灯（3）的玻璃壁的厚度为0.3-0.5mm，抛光光洁度小于1μm。

2.如权利要求2所述的太赫兹波探测器，其特征在于：所述氖灯（3）的玻璃壁的背面贴有金属膜或者镀有金属薄膜。

3.如权利要求1或2所述的太赫兹波探测器，其特征在于：所述氖灯（3）与所述直流电源（4）之间连接保护电阻（9），即所述氖灯（3）与所述保护电阻（9）、直流电源（4）和电流表（5）构成闭合回路。

4.如权利要求3所述的太赫兹波探测器，其特征在于：所述电容器（6）输出端与放大器（7）之间连接滤波器（10），即所述氖灯（3）的输出端与电容器（6）、滤波器（10）、放大器（7）和示波器（8）或锁相放大器（11）构成闭合回路。