CN103776547A

CN103776547A - 一种太赫兹量子阱探测器绝对响应率的标定方法及装置

Info

Publication number: CN103776547A
Application number: CN201410066672.2A
Authority: CN
Inventors: 谭智勇; 曹俊诚; 顾立; 朱永浩
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2014-02-26
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2034-02-26
Also published as: US20180216994A1; CN103776547B; WO2015127715A1; US10119860B2

Abstract

本发明提供一种太赫兹量子阱探测器绝对响应率的标定方法及装置，所述装置至少包括：驱动电源、单频激光源、光学镜、太赫兹阵列探测器、太赫兹功率计、电流放大器及示波器。所述标定方法采用功率可测定的单频激光源作为标定光源，得到探测器在该激光频率处的绝对响应率参数，利用探测器的归一化光电流谱可进一步计算得到探测器在其任意可探测频率处的绝对响应率参数。本发明直接采用周期输出的单频激光源作为标定光源，采用太赫兹阵列探测器和功率计直接测量来获得被标定探测器的入射功率，极大地减小了传统标定方法中背景光、水汽吸收的影响，避免了各种谱积分的复杂计算，整个标定过程简单，引入误差小，具有广泛适用性。

Description

一种太赫兹量子阱探测器绝对响应率的标定方法及装置

技术领域

本发明属于太赫兹探测器技术领域，涉及一种太赫兹量子阱探测器绝对响应率的标定方法及装置。

背景技术

太赫兹量子阱探测器是一种响应速度快、响应光谱窄、体积小且易集成的半导体探测器，是太赫兹应用技术中非常重要的一类探测器。该类型的探测器于2004年由加拿大的科学家首次研制成功，由于其材料结构简单、响应率大等特点而被广泛研究，目前器件可探测频率范围主要覆盖2-7THz频段。2-7THz频段的激光源主要包括太赫兹量子级联激光器和二氧化碳气体激光器，二氧化碳激光器由于其腔长较长，产生的激光单频性好，光束质量高；而对于太赫兹量子级联激光器来说，通过优化器件结构和工艺制备条件，同样可以得到频率稳定、发射谱半高宽仅为MHz的输出激光。太赫兹量子阱探测器的光电流谱半高宽通常为1-2THz，而激光器的谱宽仅为被标定探测器谱宽的百万分之一，完全可以近似为单频激光源。因此，二氧化碳激光器或太赫兹量子级联激光器均可作为太赫兹量子阱探测器绝对响应率的标定源。

响应率是衡量太赫兹量子阱探测器工作性能的重要参数之一。传统的响应率标定方法是采用标准黑体作为标定辐射源，结合斩波器、电流放大器和锁相放大器获得一定斩波频率下器件对特定温度黑体辐射的响应幅度，然后通过计算特定温度下标准黑体的辐射能量，由探测器敏感面相对黑体辐射的立体角计算出到达探测器敏感面的辐射功率，再对探测器的光电流谱进行积分，得到峰值探测频率处占光电流谱积分的比值，最后根据该比值、到达探测器敏感面的辐射功率以及锁相放大器显示的响应幅度和放大器的灵敏度（即放大倍数）计算得到探测器的峰值响应率。上述方法中，尽管探测器在太赫兹频段具有窄谱探测能力，然而生长探测器的材料体系为GaAs/AlGaAs，实际制作的探测器对红外光和可见光均有一定响应，因此在采用标准黑体作为标定辐射源时，红外光和环境中杂散的可见光（尤其是红外光）对器件在太赫兹频段的响应率标定有较大影响；其次，标定过程通常在大气环境中进行，大气中水汽对太赫兹辐射的吸收峰分布在探测器光电流谱的多个频率点，不能简单地用一个空气透过率值来计算，而是需要将水汽吸收谱和该光电流谱进行对比后做积分差来扣除大气中水汽吸收的影响，由于水汽吸收谱随环境温度和湿度变化剧烈，标定过程中斩波器的快速转动会对环境有较大扰动，导致扣除水汽吸收的环节引入很大的偏差，因此计算得到的探测器响应率与实际值差距比较大；最后，由于探测器需要工作在低温条件，冷却杜瓦上的窗片对响应率测量的影响同样需要从谱的角度来做积分差计算。

因此，提供一种新的太赫兹量子阱探测器绝对响应率的标定方法及装置以简化太赫兹量子阱探测器绝对响应率参数的标定过程，并提高探测器的标定准确性和标定效率实属必要。

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太赫兹量子阱探测器绝对响应率的标定方法及装置，用于解决现有技术中标定过程繁琐、误差大，导致标定准确性不高及标定效率低的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于标定太赫兹量子阱探测器绝对响应率的装置，至少包括：驱动电源、单频激光源、光学镜、太赫兹阵列探测器、太赫兹功率计、电流放大器及示波器；

所述单频激光源连接于所述驱动电源，用于在所述驱动电源的驱动信号下辐射出太赫兹激光；

所述光学镜放置于所述单频激光器一侧，用于会聚所述太赫兹激光；

所述太赫兹阵列探测器放置于所述光学镜一侧，用于测量太赫兹激光会聚焦点处会聚光斑的截面形状；

所述太赫兹功率计放置于所述光学镜一侧，用于测量会聚焦点处会聚光斑的总功率；

所述电流放大器用于对太赫兹量子阱探测器供电并将回路电流提取和放大为电压信号；

所述示波器分别与所述电流放大器及所述驱动电源连接，用于对所述电压信号进行显示和读取，且显示过程的外部触发信号为所述驱动电源输出的参考信号。

可选地，所述单频激光源为太赫兹量子级联激光器或二氧化碳激光器。

可选地，所述光学镜为一组聚乙烯透镜，包括至少两个聚乙烯透镜。

可选地，所述驱动电源为脉冲信号源。

可选地，所述示波器为数字示波器，包括至少两个可测量通道。

本发明还提供一种采用如上装置对太赫兹量子阱探测器的绝对响应率进行标定的方法，至少包括以下步骤：

S1：采用所述驱动电源输出周期为t的方波信号对所述单频激光源进行驱动，使所述单频激光源辐射出周期与驱动信号一致、频率为f的太赫兹激光；

S2：调整所述光学镜至预设位置，使所述太赫兹激光经所述光学镜后到达会聚焦点处；

S3：将所述太赫兹阵列探测器放置于所述会聚焦点处，测量该会聚焦点处会聚光斑的截面形状并计算得到截面面积S′；

S4：将所述太赫兹功率计放置于所述会聚焦点处，测量该会聚焦点处会聚光斑的总功率P′；

S5：将所述太赫兹量子阱探测器放置于所述会聚焦点处并采用所述电流放大器对其供电，并将回路电流提取和放大为电压信号U，采用所述示波器对所述电压信号U进行显示和读取，且所述示波器显示的外部触发信号为所述驱动电源输出的参考信号，然后调节所述太赫兹量子阱探测器的位置使所述示波器上显示的电压信号U达到最大值U_max；

S6：对比所述会聚焦点处光斑的形状尺寸与所述太赫兹量子阱探测器光敏面的大小，计算出二者可重叠区域的最大面积S″，则入射到探测器敏感面的激光功率P为

P = {αP}^{'} \frac{S^{″}}{S^{'}},

其中，α为太赫兹量子阱探测器冷却杜瓦上的窗片在该激光频率f处的透过率；

S7：根据所述电流放大器的放大灵敏度G，计算得到所述太赫兹量子阱探测器产生的光电流值为I=G·U_max，根据所述太赫兹量子阱探测器接收到的光功率P和产生的光电流I计算得到其在该激光频率f处的响应率值R_f为

R_{f} = \frac{G \cdot U_{\max}}{P};

S8：根据所述太赫兹量子阱探测器归一化光电流谱中该激光频率f处对应的响应幅度a（a<1），计算得到所述太赫兹量子阱探测器峰值探测频率f_max处的绝对响应率值R_max为

R_{\max} = R_{f} \frac{1}{a},

并根据其它频率f_j处对应的归一化响应幅度b（b<1），计算得到探测器在该频率处的绝对响应率值R_j为

R_{j} = R_{f} \frac{b}{a} .

可选地，于所述步骤S3中，采用圆形区域近似方法计算得到所述截面面积S′。

可选地，所述太赫兹功率计的敏感面面积大于所述会聚光斑的面积，于所述步骤S4中，所述太赫兹功率计测量到的激光功率为会聚光斑的全部功率，根据测量得到会聚光斑的平均功率，然后按方波信号50%的占空比计算得到会聚光斑总的峰值功率为两倍的平均功率。

如上所述，本发明的太赫兹量子阱探测器绝对响应率的标定方法及装置，具有以下有益效果：本发明的标定方法中由于采用的是周期输出的单频激光源作为标定光源，光源的周期性可以通过示波器锁定周期采样的方式，避免环境中红外光和可见光的随机扰动影响；光源的单频性则可以将标定过程中的水汽吸收和窗片吸收简化为一个单一的吸收系数，避免了复杂的积分差计算；此外，采用太赫兹阵列探测器和功率计来得到被标定探测器的入射激光功率，可以进一步减小标定过程水汽吸收的影响，使标定结果更准确。本发明可以得到太赫兹量子阱探测器在其可探测频率范围内任意频率处的绝对响应率值，大大提高了探测器的标定准确性和标定效率，具有广泛的适用性。

附图说明

图1显示为本发明的用于标定太赫兹量子阱探测器绝对响应率的装置的结构及光路示意图。

图2显示为会聚焦点处光斑的形状及尺寸。

图3显示为太赫兹量子级联激光器发射谱与太赫兹量子阱探测器光电流谱的归一化对比图。

图4显示为太赫兹量子级联激光器驱动信号波形（上）与电流放大器输出的响应信号波形（下）对比图。

图5显示为太赫兹量子阱探测器冷却杜瓦上的窗片的透射谱。

元件标号说明

11 单频激光源

12 驱动电源

21 光学镜

31 会聚焦点

32 太赫兹阵列探测器

33 太赫兹功率计

34 太赫兹量子阱探测器

35 电流放大器

36 示波器

37 窗片

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。

请参阅图1至图5。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。

实施例一

本发明提供一种用于标定太赫兹量子阱探测器绝对响应率的装置，请参阅图1，显示为该装置的结构及光路示意图，至少包括：驱动电源12、单频激光源11、光学镜21、太赫兹阵列探测器32、太赫兹功率计33、电流放大器35及示波器36。图1中还示出了标定过程中被标定的太赫兹量子阱探测器34位于光路中位置及安装于所述太赫兹量子阱探测器34的冷却杜瓦上的窗片37。所述窗片37的作用是使太赫兹光透过并会聚于太赫兹量子阱探测器34的敏感面上。

如图1所示，所述单频激光源11作为标定激光源，其连接于所述驱动电源12，用于在所述驱动电源12的驱动信号下辐射出太赫兹激光。该太赫兹激光为单频，避免了水汽吸收谱和窗片吸收谱与探测器光电流谱的积分差计算，可以简化标定过程，减小环境温湿度变化带来的标定误差。所述单频激光源11为太赫兹量子级联激光器或二氧化碳激光器。本实施例中，所述单频激光源11优选为太赫兹量子级联激光器，其激射频率为3.902THz。

所述驱动电源12为大功率脉冲信号源，其驱动太赫兹量子级联激光器工作时的方波信号周期为5ms，信号幅度为21.5V，输出阻抗匹配为400kΩ，实际加载到太赫兹量子级联激光器上的电压幅度为13.1V。所述单频激光源11可以在方波信号驱动下采用周期输出方式，从而避免背景光造成的影响。

所述光学镜21放置于所述单频激光器11一侧，用于会聚所述单频激光源11发出的太赫兹激光。所述光学镜21为一组聚乙烯透镜，包括至少两个聚乙烯透镜，每个透镜焦距均为100mm。图1中示出了会聚焦点31，其为所述光学镜21中最后一个透镜的焦点。

所述太赫兹阵列探测器32放置于所述光学镜21一侧，用于测量太赫兹激光会聚焦点处会聚光斑的截面形状。作为示例，所述太赫兹阵列探测器32的像素为320×240，像元尺寸为23.5μm。

所述太赫兹功率计33放置于所述光学镜21一侧，用于测量会聚焦点31处会聚光斑的总功率。所述太赫兹功率计33可以直接获得实际入射被标定太赫兹量子阱探测器的激光功率值，从而减小水汽吸收的影响，使标定结果更准确。作为示例，所述太赫兹功率计33的可探测频率范围为0.3-10THz，探测敏感面直径12mm，可探测功率范围为0.05-3000mW。

所述电流放大器35用于对被标定的太赫兹量子阱探测器34供电并将回路电流提取和放大为电压信号。所述电流放大器35为低噪声电流放大器，本实施例中使用的放大灵敏度为50μA/V，放大带宽为0.3Hz-10kHz。

所述示波器36分别与所述电流放大器35及所述驱动电源12连接，用于对所述电压信号进行显示和读取，且显示过程的外部触发信号为所述驱动电源12输出的参考信号。所述示波器36为数字示波器，包括至少两个可测量通道，作为示例，其参数包括4个可测量通道、500MHz测量带宽，可同时显示太赫兹量子级联激光器的驱动电压信号和电流放大器35的输出信号。

本发明中用于标定太赫兹量子阱探测器绝对响应率的装置采用单频激光源作为标定激光源，避免了水汽吸收谱和窗片吸收谱与探测器光电流谱的积分差计算，简化了标定过程，减小了环境温湿度变化带来的标定误差，且单频激光源可以采用周期输出的方式，从而可以避免背景光造成的影响。本发明的装置还采用太赫兹阵列探测器和功率计表征会聚光斑，可以直接获得实际入射被标定探测器的激光功率值，进一步减小了水汽吸收的影响，使标定结果更准确。

实施例二

本发明还提供一种太赫兹量子阱探测器绝对响应率的标定方法，下面结合实施例一中所述装置及各参数来详细说明本发明的标定方法的具体流程，至少包括以下步骤：

步骤S1：采用所述驱动电源12输出周期为t的方波信号对所述单频激光源11进行驱动，使所述单频激光源11辐射出周期与驱动信号一致、频率为f的太赫兹激光。本实施例中，所述单频激光源11以太赫兹量子级联激光器为例，所述方波信号t=5ms，所述太赫兹量子级联激光器输出的激光频率f=3.902THz。

步骤S2：调整所述光学镜21至预设位置，使所述太赫兹激光经所述光学镜21后到达会聚焦点31处。

步骤S3：将所述太赫兹阵列探测器32放置于所述会聚焦点31处，测量该会聚焦点31处会聚光斑的截面形状并计算得到截面面积S′。

请参阅图2，显示为会聚焦点处光斑的形状及尺寸。如图2所示，黑色圆圈内为光斑区域，采用圆形区域近似方法可知，光斑区域在横向和纵向两个方向的尺寸均≤0.6mm，因此光斑区域面积按直径Φ=0.6mm的圆形计算得到S′=0.2826mm²。

步骤S4：将所述太赫兹功率计33放置于所述会聚焦点31处，测量该会聚焦点处会聚光斑的总功率P′。

本实施例中，因功率计敏感面（直径为12mm）远大于会聚光斑面积，功率计所测量到的激光功率为会聚光斑的全部功率，根据测量得到会聚光斑的平均功率为600μW，按方波信号50%占空比计算得到会聚光斑总的峰值功率P′=1200μW。

步骤S5：将所述太赫兹量子阱探测器34放置于所述会聚焦点31处并采用所述电流放大器35对其供电，并将回路电流提取和放大为电压信号U，采用所述示波器36对所述电压信号U进行显示和读取，且所述示波器36显示的外部触发信号为所述驱动电源12输出的参考信号，然后调节所述太赫兹量子阱探测器34的位置使所述示波器36上显示的电压信号U达到最大值U_max。

作为示例，被标定的太赫兹量子阱探测器34的峰值探测频率为3.21THz，工作温度为3.2K，可探测频率范围为2.6-6.6THz（按归一化光电流谱幅度≥0.1），太赫兹量子阱探测器34的光敏面有效尺寸为1.5mm×0.9mm。

请参阅图3，显示为太赫兹量子级联激光器发射谱与太赫兹量子阱探测器光电流谱的归一化对比图，如图3所示，归一化光电流谱幅度≥0.1（见图中虚线），其在3.902THz处的归一化光电流谱幅度为0.65（0.653.902THz）。

作为示例，采用电流放大器对太赫兹量子阱探测器提供40mV的直流偏压，请参阅图4，显示为示波器显示的太赫兹量子级联激光器驱动信号波形（上）与电流放大器输出的响应信号波形（下）对比图，信号周期均为t=5ms，其中太赫兹量子级联激光器驱动信号波形的幅度计量单位为5V/格，电流放大器输出的响应信号波形的幅度计量单位为2V/格。如图4所示，太赫兹量子级联激光器驱动信号幅度为13.1V，电流放大器输出信号幅度最大值U_max=6.38V。

步骤S6：对比所述会聚焦点处光斑的形状尺寸与所述太赫兹量子阱探测器光敏面的大小，计算出二者可重叠区域的最大面积S″，则入射到探测器敏感面的激光功率P为

P = {αP}^{'} \frac{S^{″}}{S^{'}},

其中，α为太赫兹量子阱探测器冷却杜瓦上的窗片在该激光频率f处的透过率。

本实施例中，所述窗片37为高强度聚乙烯材料，厚度为3mm。请参阅图5，显示为太赫兹量子阱探测器冷却杜瓦上的窗片的透射谱，由图5可知，所述窗片37在3.902THz处的透过率为α=0.64。

本实施例中，由于太赫兹量子阱探测器敏感面尺寸比会聚光斑大，故S″=S′，P=αP′，所以入射到探测器敏感面的激光功率P=0.64×1200μW=768μW。

步骤S7：根据所述电流放大器35的放大灵敏度G，计算得到所述太赫兹量子阱探测器产生的光电流值为I=G·U_max，根据所述太赫兹量子阱探测器接收到的光功率P和产生的光电流I计算得到其在该激光频率f处的响应率值R_f为

R_{f} = \frac{G \cdot U_{\max}}{P} .

作为示例，电流放大器的放大灵敏度G=50μA/V，计算得到探测器产生的光电流值为I=G·U_max=50μA/V×6.38V=319μA，进而计算得到被标定太赫兹量子阱探测器在3.902THz频率处的响应率为R_f=319μA÷768μW=0.415A/W。

步骤S8：根据所述太赫兹量子阱探测器归一化光电流谱中该激光频率f处对应的响应幅度a（a<1），计算得到所述太赫兹量子阱探测器峰值探测频率f_max处的绝对响应率值R_max为

R_{\max} = R_{f} \frac{1}{a},

R_{j} = R_{f} \frac{b}{a} .

具体的，根据图3中太赫兹量子阱探测器归一化光电流谱3.902THz频率处对应的响应幅度a=0.65，计算得到探测器在峰值探测频率3.21THz处的绝对响应率值R_max=0.415A/W÷0.65=0.638A/W。

同理，根据其它频率f_j处（例如3.1THz处）对应的归一化响应幅度b=0.58（见图3，0.583.1THz），计算得到探测器在该频率处的绝对响应率值R_j=0.638A/W×0.58=0.370A/W。

通过以上步骤，得到了峰值探测频率为3.21THz的太赫兹量子阱探测器在工作偏压为40mV、工作温度为3.2K时的峰值响应率和其他可探测频率处的响应率。

以上仅为实例，对于其它参数的太赫兹量子阱探测器，同样可通过如上方法计算得到其任意可探测频率处的绝对相应率参数。

本发明的标定方法直接采用周期输出的单频激光源作为标定光源，采用太赫兹阵列探测器和功率计直接测量来获得被标定探测器的入射功率，极大地减小了传统标定方法中背景光、水汽吸收的影响，避免了各种谱积分的复杂计算，整个标定过程简单，引入误差小，具有广泛适用性。

综上所述，本发明的太赫兹量子阱探测器绝对响应率的标定方法及装置采用周期输出的单频激光源作为标定光源，光源的周期性可以通过示波器锁定周期采样的方式，避免环境中红外光和可见光的随机扰动影响；光源的单频性则可以将标定过程中的水汽吸收和窗片吸收简化为一个单一的吸收系数，避免了复杂的积分差计算；此外，采用太赫兹阵列探测器和功率计来得到被标定探测器的入射激光功率，可以进一步减小标定过程水汽吸收的影响，使标定结果更准确。本发明可以得到太赫兹量子阱探测器在其可探测频率范围内任意频率处的绝对响应率值，大大提高了探测器的标定准确性和标定效率，具有广泛的适用性。所以，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

1.一种用于标定太赫兹量子阱探测器绝对响应率的装置，至少包括：驱动电源、单频激光源、光学镜、太赫兹阵列探测器、太赫兹功率计、电流放大器及示波器，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的用于标定太赫兹量子阱探测器绝对响应率的装置，其特征在于：所述单频激光源为太赫兹量子级联激光器或二氧化碳激光器。

3.根据权利要求1所述的用于标定太赫兹量子阱探测器绝对响应率的装置，其特征在于：所述光学镜为一组聚乙烯透镜，包括至少两个聚乙烯透镜。

4.根据权利要求1所述的用于标定太赫兹量子阱探测器绝对响应率的装置，其特征在于：所述驱动电源为脉冲信号源。

5.根据权利要求1所述的用于标定太赫兹量子阱探测器绝对响应率的装置，其特征在于：所述示波器为数字示波器，包括至少两个可测量通道。

6.一种采用如权利要求1所述装置对太赫兹量子阱探测器的绝对响应率进行标定的方法，其特征在于，至少包括以下步骤：

P = {αP}^{'} \frac{S^{″}}{S^{'}},

R_{f} = \frac{G \cdot U_{\max}}{P};

R_{\max} = R_{f} \frac{1}{a},

R_{j} = R_{f} \frac{b}{a} .

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：于所述步骤S3中，采用圆形区域近似方法计算得到所述截面面积S′。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述太赫兹功率计的敏感面面积大于所述会聚光斑的面积，于所述步骤S4中，所述太赫兹功率计测量到的激光功率为会聚光斑的全部功率，根据测量得到会聚光斑的平均功率，然后按方波信号50%的占空比计算得到会聚光斑总的峰值功率为两倍的平均功率。