CN105938012A - 太赫兹探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太赫兹探测装置，用于探测飞秒激光辐射产生的太赫兹波信号，包括PCB板以及设置在所述PCB板上的光电导模块、响应调节模块和放大模块。上述太赫兹探测装置，将光电导模块、响应调节模块和放大模块容置于同一个装置中，使得光电导模块与放大模块相互靠近，增加了匹配电阻、电容及电荷释放电阻；同时通过调节响应模块使得太赫兹探测装置的响应时间达到最小，消除和抑制了噪声的传输和耦合，实现了信噪比及采样率的最大化。同时缩小了该太赫兹探测装置的体积，节约了成本。

Description

太赫兹探测装置

技术领域

本发明涉及太赫兹探测技术领域，特别是涉及太赫兹探测装置。

背景技术

太赫兹波(THz波)是指频率在0.1～10THz之间的电磁波，太赫兹波的波长短、没有电离辐射产生，同时还包含了丰富的光谱信息，可以用于鉴别物质类别和成分。太赫兹技术在医疗、食品、安全监测、军事等领域具有很大的应用前景。

随着超快激光技术的不断进步，太赫兹波是利用飞秒激光激发半导体表面和利用光电导发射接收机制进行产生和探测。其中，太赫兹光电导探测器是通过半导体材料上面的光导天线耦合太赫兹电磁波，形成载流子高速运动，从而产生瞬间电流。在太赫兹探测装置中，电路采集的时间常数τ可表示太赫兹波形探测装置输出信号随射入的太赫兹波变化的速率，例如入射的太赫兹波突然照射和消失时，探测器的输出不会立刻到达最大值或下降至零，而是随着时间常数τ的不同呈现对应的缓慢上升和下降。系统等效时间常数τ反应了装置的响应时间及动态特性。但是，当太赫兹信号较弱或光电导体的光强照度非常低时，放大模块的输入电流噪声、散粒噪声、约翰逊噪声等形成的噪声电流及耦合噪声电流，将高于太赫兹波所产生的实际电流。同时，放大器的阻抗与光电导天线的阻抗不匹配也会降低装置的性噪比。

发明内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种将光电导模块、响应调节模块及放大模块集成在同一PCB板上，消除和抑制噪声的传输和耦合，同时提高信噪比的太赫兹探测装置。

一种太赫兹探测装置，用于探测飞秒激光辐射产生的太赫兹波信号，包括PCB板以及设置在所述PCB板上的光电导模块、响应调节模块和放大模块，

所述光电导模块、响应调节模块、放大模块依次电连接；

所述光电导模块用于同时接收外部的飞秒激光和太赫兹波，并形成所述太赫兹波信号的电位差；

所述放大模块用于接收和放大所述太赫兹波信号；

所述响应调节调节模块用于调节所述光电导模块与所述放大模块之间的信噪比。

在其中一个实施例中，所述光电导模块包括依次层叠的衬底层、光电导层、光电导栅极以及设置在所述光电导栅极上的双极型偶极天线；

所述双极型偶极天线包括正极偶极天线和负极偶极天线；

所述响应调节模块分别与所述正极偶极天线、负极偶极天线连接。

在其中一个实施例中，所述响应调节模块包括第一电阻和第一电容；所述第一电阻与第一电容并联；

所述第一电阻的一端与所述正极偶极天线连接，所述第一电阻的另一端与所述负极偶极天线连接。

在其中一个实施例中，所述第一电阻的阻值与所述双极型偶极天线的等效电阻相等。

在其中一个实施例中，所述放大模块包括第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路；

所述第一级放大电路、第二级放大电路、第三级放大电路依次电连接；

所述第一级放大电路用于对所述太赫兹波信号进行放大；

所述第二级放大电路用于调节所述太赫兹波信号的放大增益；

所述第三级放大电路用于降低所述太赫兹探测装置的输出阻抗。

在其中一个实施例中，所述第一级放大电路包括第一耦合电阻和仪表放大器；

所述第一耦合电阻的两端分别与所述正极偶极天线、负极偶极天线连接；

所述仪表放大器的同相输入端与所述正极偶极天线连接，所述仪表放大器的反相输入端与所述负极偶极天线连接；所述仪表放大器的输出端与所述第二级放大电路连接。

在其中一个实施例中，所述第一级放大电路还包括第二电阻和第三电阻，且所述第二电阻与第三电阻的阻值相等；

所述第二电阻的一端与所述正极偶极天线连接，所述第二电阻的另一端接地；所述第三电阻的一端与所述负极偶极天线连接，所述第三电阻的另一端接地。

在其中一个实施例中，所述第二级放大电路包括第二耦合电阻、第一运算放大器、数字电位器和偏置电压分压器；

所述第一运算放大器的反相输入端经所述第二耦合电阻与所述第一级放大电路的输出端连接；所述第一运算放大器的同相输入端与所述偏置电压分压器连接；

所述数字电位器连接在所述第一运算放大器的反相输入端与输出端之间；

所述第一运算放大器的输出端与所述第三级放大电路连接。

在其中一个实施例中，所述偏置电压分压器包括第四电阻、第五电阻和第六电阻；

所述第四电阻、第五电阻和第六电阻与外部供电电源依次串联形成回路，且所述第五电阻为滑动变阻器，

所述第一运算放大器的同相输入端与所述第五电阻连接。

在其中一个实施例中，所述第三级放大电路包括第三耦合电阻和电压跟随器；

所述电压跟随器的同相输入端经所述第三耦合电阻与所述第二级放大电路的输出端连接，所述电压跟随器的负向输入端与所述电压跟随器的输出端连接。

上述太赫兹探测装置，将光电导模块、响应调节模块和放大模块集成在同一PCB板上，容置于同一个装置中，使得光电导模块与放大模块相互靠近，增加了匹配电阻、电容及电荷释放电阻，使装置的响应时间达到最小，同时消除和抑制了噪声的传输和耦合，实现了信噪比及采样率的最大化。同时缩小了该太赫兹探测装置的体积，节约了成本。

附图说明

图1为太赫兹探测装置结构框架图；

图2为光电导模块的结构示意图；

图3为仪表放大器的等效电路图；

图4为放大模块的电路图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1所示的为太赫兹探测装置结构框架图，用于探测飞秒激光辐射产生的太赫兹波信号，包括PCB板(图中未示)以及设置在PCB板上的光电导模块100、响应调节模块200和放大模块300。其中，光电导模块100、响应调节模块200、放大模块300依次电连接；光电导模块100用于同时接收外部的飞秒激光和太赫兹波，并形成太赫兹波信号的电位差；放大模块300用于接收和放大所述太赫兹波信号；响应调节调节模块用于调节光电导模块100与放大模块300之间的信噪比。

如图2所示的为光电导模块100的结构示意图，光电导模块100包括依次层叠的衬底层110、光电导层120、光电导栅极130以及设置在光电导栅极上的双极型偶极天线140。其中，衬底层110为半绝缘砷化镓(SI-GaAs)；光电导层120由低温生长砷化镓(LT-GaAs)构成，双极型偶极天线140的材料为半绝缘砷化镓(SI-GaAs)。

双极型偶极天线140包括正极偶极天线141和负极偶极天线143。正极偶极天线141和负极偶极天线143的电荷的极性不受正极偶极天线141和负极偶极天线143位置的限制，也就是说正极偶极天线141和负极偶极天线143的位置可以互换。响应调节模块200设置在正极偶极天线141与负极偶极天线143的两端。

当太赫兹探测装置内的光电导模块100受到飞秒激光和太赫兹入射波同时照射后，电荷将从双极型偶极天线140的一极流向另一极，双极型偶极天线140的正负两极之间产生太赫兹电位差，其中，等效太赫兹波信号的电流脉冲与所产生的太赫兹电动势成正比；等效太赫兹波信号的电流脉冲与双极型偶极天线的正负两极等效电阻值成反比例关系。

参考图1，放大模块300包括第一级放大电路310、第二级放大电路320和第三级放大电路330。第一级放大电路310、第二级放大电路320、第三级放大电路330依次电连接。第一级放大电路310用于对太赫兹波信号进行固定增益倍数的放大。第二级放大电路320用于调节太赫兹波信号的放大增益。第三级放大电路330用于降低太赫兹探测装置的输出阻抗。

其中，第一级放大电路310包括第一耦合电阻R1’和仪表放大器U1。第一耦合电阻R1’的两端分别与正极偶极天线141、负极偶极天线143连接。第一耦合电阻R1’用于匹配装置中的走线电阻。

仪表放大器U1的同相输入端与正极偶极天线141连接，仪表放大器U1的反相输入端与负极偶极天线143连接；仪表放大器U1的输出端与第二级放大电路320连接。

如图3所示为仪表放大器的等效电路图，其中，仪表放大器U1的差分输入时间常数τ_DIFF如式(1)所示：

${\mathrm{\τ}}_{DIFF}=(R_{IN+}+R_{IN})\·\frac{C_{CM+}\·C_{CM}}{C_{CM+}+C_{CM}}+C_{DIFF}---\left(1\right)$

仪表放大器U1的共模输入时间常数τ_CM如式(2)所示：

τ_CM＝R_IN+·C_CM+＝R_IN·C_CM (2)

仪表放大器U1的差分带宽BW_DIFF如式(3)所示：

${\mathrm{BW}}_{DIFF}=\frac{1}{2\·\mathrm{\π}(R_{IN+}+R_{IN})\frac{C_{CM+}\·C_{CM}}{C_{CM+}+C_{CM}}+C_{DIFF}}---\left(3\right)$

上述公式中，C_CM+为仪表放大器U1的同相输入共模电容；C_CM-为仪表放大器U1的反相输入共模电容；C_DIFF为仪表放大器U1的差模输入电容。C_CM+、C_CM-、C_DIFF共同形成了仪表放大器U1的等效输入电容C_IN，等效输入电容C_IN的典型值为1～20pF。R_IN+为仪表放大器U1前端输入至放大器同相输入端的走线等效电阻，R_IN+为仪表放大器U1前端输入至放大器反相输入端的走线等效电阻。

在放大器应用电路中，反相输入共模电容C_CM-将会在仪表放大器U1的闭环回路中引入一个极点，在某些特殊条件下，可能会引起第一级放大电路310自激或不稳定。第一级放大电路310的输入电容不仅由仪表放大器U1的输入电容组成，还包括布线引线的杂散电容、封装的引脚电容、耦合电容。在本实施例中，将仪表放大器U1的反相输入端周围的接地层去除，同时，使引线连接尽量短，从而最大程度的减小杂散电容、引脚电容耦合电容的产生。

参考图1，光电导模块100中的电阻R_PT为光电导栅极的等效电阻R_PT，电容C_A为双极型偶极天线140的等效电容C_A。其中，等效电阻R_PT、等效电容C_A是双极型偶极天线140的固有特性，受工艺和材料的限制，与光电导结构制作有关。在本实施例中，等效电阻R_PT的阻值约为10⁷欧姆，等效电容C_A的电容值的稳定值约为0.5pF，等效电容C_A的电容值在0.3～0.7pF之间波动。在其他实施例中，其等效电阻R_PT的阻值、等效电容C_A的电容值由双极型偶极天线140的制作工艺和材料特性所决定。

光电导模块100通过响应调节模块200与第一级放大电路310连接。假设太赫兹探测装置的总时间常数τ_receiver，其总时间常数τ_receiver由光电导模块100和放大模块300共同决定，即光电导模块100与第一级放大电路310的响应速度有总时间常数τ_recei_ver来决定。总时间常数τ_recei_ver是由总等效电阻R_receiver和总等效电容C_receiver共同决定的。其中，双极型偶极天线40的等效电容C_A和等效电阻R_PT是特定值，受双极型偶极天线40的制作工艺和材质的影响。仪表放大器U1的等效输入电容C_IN，仪表放大器U1的等效输入电阻R_IN由R_IN1、R_IN2、R_IN3决定。其等效输入电容C_IN、等效输入电阻R_IN为仪表放大器U1的固有属性，也为特定值。在本实施例中，仪表放大器U1的型号为INA115，等效输入电阻R_IN的阻值一般在10¹¹～10¹²Ω之间。

响应调节模块200包括第一电阻R1和第一电容C1。第一电阻R1与第一电容C1并联；第一电阻R1的一端与正极偶极天线141连接，第一电阻R1的另一端与负极偶极天线143连接。

由于设置了响应调节模块200，其装置的总等效电阻R_receiver如式(4)所示：

R_receiver＝R_PT//R1//R_IN (4)

总等效电容C_receiver如式(5)所示：

C_receiver＝C_A+C1+C_IN (5)

总时间常数τ_receiver如式(6)所示：

τ_receiver＝R_receiver·C_receiver (6)

在高速采集电路中，总时间常数τ_receiver越小越好，则该装置对输入信号的响应就会越快。通过公式(6)可以看出，可以通过减少总等效电阻R_receiver和总等效电容C_receiver来减小总时间常数τ_receiver。

由于双极型偶极天线140的等效电容C_A受工艺和材料的限制，与光电导结构制作有关，等效电容C_A的电容值在0.3～0.7pF之间。而第一电容C1可通过将仪表放大器U1集成在双极型偶极天线140上或尽量靠近双极型偶极天线140，进而减少信号走线的长度，可以消除杂散电容、耦合电容的形成，即可获得最小电容。在本实施例中，第一电容C1的电容值在0.4～5pF的范围内，在其他实施例中，第一电容C1的电容值可以根据具体的太赫兹探测装置的各部件的设计来确定，并不限于本实施例给出的范围。

在本实施例中，仪表放大器U1的等效输入电阻R_IN的阻值为10¹¹～10¹²Ω，双极型偶极天线140的等效电阻R_PT的阻值约为10⁷欧姆，仪表放大器U1的等效输入电阻R_IN远远大于光电导栅极的等效电阻R_PT。若第一电阻R1远远大于仪表放大器U1的等效输入电阻R_IN和双极型偶极天线140的等效电阻R_PT，则式(6)可近似式(7)：

τ_receiver＝R_PT·(C_A+C1+C_IN) (7)

由式(7)可知，通过调整双极型偶极天线140的工艺和材质，可获得最优化的时间常数。但在实际应用中通过改变双极型偶极天线140实现响应的优化是具有一定的难度，但是可以通过调节第一电阻R1来优化总时间常数τ_receiver，若R1<R_PT且R1<R_IN，则总时间常数τ_receiver，可优化成式(8)：

τ_receiver＝R1·(C_A+C1+C_IN) (8)

由式(8)可知，可通过调节第一电容C1和第一电阻R1，来调节总时间常数τ_receiver，使装置的响应时间达到最小，同时消除和抑制了噪声的传输和耦合，实现信噪比及采样率的最大化，提升太赫兹探测装置的性能。

在另一实施例中，还可以使第一电阻R1的阻值与双极型偶极天线的等效电阻R_PT相等。当第一电阻R1的阻值与双极型偶极天线420的等效电阻R_PT相等时，其总时间常数τ_recei_ver较小，总响应速度较快。

第一级放大电路310还包括第二电阻R2和第三电阻R3，且第二电阻R2与第三电阻R3的阻值相等。第二电阻R2的一端与正极偶极天线141连接，第二电阻R2的另一端接地；第三电阻R3的一端与负极偶极天线143连接，第三电阻R3的另一端接地。太赫兹探测装置在探测采样过程中，光电导栅极130上的双极型偶极天线140感应太赫兹波所产生的相对电压可能会超过仪表放大器U1的共模输入电压范围，通过设置第二电阻R2和第三电阻R3，为双极型偶极天线140积累的电荷提供了泄放回路，对第一级放大电路310的性能及噪声抑制能力就不会造成干扰或影响。同时，第二电阻R2和第三电阻R3的阻值相等，且远远大于双极型偶极天线140的等效电阻R_PT，也可在一定程度上优化总体的响应速度。

仪表放大器U1通过反馈电阻器R_F，反馈电阻器R_F连接在仪表放大器U1的两个反馈端之间。仪表放大器U1的放大增益的范围为100～10000，通过设置反馈电阻器R_F使仪表放大器U1有较高的输入电阻，在探测的过程中，可以探测到低强度的太赫兹波信号，同时该仪表放大器U1具有高共模抑制比，保证了太赫兹波信号的完整性。

如图4为放大模块的电路图，第二级放大电路320包括第二耦合电阻R2’、第一运算放大器U2、数字电位器U3和偏置电压分压器321。第一运算放大器U2的反相输入端经第二耦合电阻R2’与第一级放大电路310的输出端连接；第一运算放大器U2的同相输入端与偏置电压分压器321连接。数字电位器U3连接在第一运算放大器U2的反相输入端与输出端之间；第一运算放大器U2的输出端与第三级放大电路连接。

经第一级放大电路310输出的太赫兹波信号通过第二耦合电阻R2’耦合至第二级放大电路320的第一运算放大器U2的反相输入端，同时在第一运算放大器U2的同相输入端连接偏置电压分压器321，该偏置电压分压器321包括第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6。第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6与外部供电电源依次串联形成回路，且第五电阻R5为滑动变阻器，第一运算放大器U2的同相输入端与第五电阻R5连接。在本实施例中，外部供电电源为5伏的直流电源，其第四电阻R4与直流电源的正极连接，第六电阻R6与直流电源的负极连接。该偏置电压分压器321可以将输出信号抬升至零电压以上。

第二级放大电路320的反馈回路由数字电位器U3构成，根据太赫兹波信号的强弱调节数字电位器U3的阻值，可使第一级放大电路310和第二级放大电路320总增益放大倍数在100～10000范围内波动，也就是说通过第一级放大电路310和第二级放大电路320的协同作用，可以使整个装置的放大增益在100～10000的范围内。

第三级放大电路330包括第三耦合电阻R3’和电压跟随器U4。电压跟随器U4的同相输入端经所述第三耦合电阻R3’与第二级放大电路320的输出端连接，电压跟随器U4的负向输入端与电压跟随器U4的输出端连接。

经第二级放大电路320输出的信号经第三耦合电阻R3’耦合至第三级放大电路330的电压跟随器U4的同相输入端，降低了装置的输出阻抗，同时也起到了隔离后续电路的作用，减少了后续模数转换电路对放大模块300的影响。对于第一级放大电路310、第二级放大电路320和第三级放大电路330都满足时间常数的需求，使太赫兹探测装置的响应效果达到最佳状态。

太赫兹探测装置的工作原理：当太赫兹探测装置内的光电导模块100受到飞秒激光和太赫兹入射波同时照射后，电荷将从双极型偶极天线140的一极流向另一极，双极型偶极天线140的正负两极之间产生太赫兹电位差。双极型偶极天线的正负两极分别接至仪表放大器U1的同相和反相输入端进行第一级放大，然后进行电平抬升和第二级放大。第二级放大电路320的增益可根据太赫兹波强弱，利用数字电位器U3进行可调增益放大。第三级放大电路330对整个装置具有隔离保护的作用。

将光电导模块100、调节响应模块200、放大模块300集成于同一PCB板上，容置在同一装置中，增加了匹配电阻、电容及电荷释放电阻，使该装置的响应时间最优，消除和抑制了噪声的传输和耦合，实现了信噪比及采样率的最大化，同时缩小了该太赫兹探测装置的体积，节约了成本。通过设置多级放大电路，使太赫兹探测装置的灵敏度、带宽、响应时间、动态特性及信噪比性能都得到了大幅提升。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种太赫兹探测装置，用于探测飞秒激光辐射产生的太赫兹波信号，其特征在于，包括PCB板以及设置在所述PCB板上的光电导模块、响应调节模块和放大模块，

所述光电导模块、响应调节模块、放大模块依次电连接；

所述光电导模块用于同时接收外部的飞秒激光和太赫兹波，并形成所述太赫兹波信号的电位差；

所述放大模块用于接收和放大所述太赫兹波信号；

所述响应调节模块用于调节所述光电导模块与所述放大模块之间的信噪比。

2.根据权利要求1所述的太赫兹探测装置，其特征在于，所述光电导模块包括依次层叠的衬底层、光电导层、光电导栅极以及设置在所述光电导栅极上的双极型偶极天线；

所述双极型偶极天线包括正极偶极天线和负极偶极天线；

所述响应调节模块分别与所述正极偶极天线、负极偶极天线连接。

3.根据权利要求2所述的太赫兹探测装置，其特征在于，所述响应调节模块包括第一电阻和第一电容；所述第一电阻与第一电容并联；

所述第一电阻的一端与所述正极偶极天线连接，所述第一电阻的另一端与所述负极偶极天线连接。

4.根据权利要求2所述的太赫兹探测装置，其特征在于，所述第一电阻的阻值与所述双极型偶极天线的等效电阻相等。

5.根据权利要求2所述的太赫兹探测装置，其特征在于，所述放大模块包括第一级放大电路、第二级放大电路和第三级放大电路；

所述第一级放大电路、第二级放大电路、第三级放大电路依次电连接；

所述第一级放大电路用于对所述太赫兹波信号进行放大；

所述第二级放大电路用于调节所述太赫兹波信号的放大增益；

所述第三级放大电路用于降低所述太赫兹探测装置的输出阻抗。

6.根据权利要求5所述的太赫兹探测装置，其特征在于，所述第一级放大电路包括第一耦合电阻和仪表放大器；

所述第一耦合电阻的两端分别与所述正极偶极天线、负极偶极天线连接；

所述仪表放大器的同相输入端与所述正极偶极天线连接，所述仪表放大器的反相输入端与所述负极偶极天线连接；所述仪表放大器的输出端与所述第二级放大电路连接。

7.根据权利要求5所述的太赫兹探测装置，其特征在于，所述第一级放大电路还包括第二电阻和第三电阻，且所述第二电阻与第三电阻的阻值相等；

所述第二电阻的一端与所述正极偶极天线连接，所述第二电阻的另一端接地；所述第三电阻的一端与所述负极偶极天线连接，所述第三电阻的另一端接地。

8.根据权利要求5所述的太赫兹探测装置，其特征在于，所述第二级放大电路包括第二耦合电阻、第一运算放大器、数字电位器和偏置电压分压器；

所述第一运算放大器的反相输入端经所述第二耦合电阻与所述第一级放大电路的输出端连接；所述第一运算放大器的同相输入端与所述偏置电压分压器连接；

所述数字电位器连接在所述第一运算放大器的反相输入端与输出端之间；

所述第一运算放大器的输出端与所述第三级放大电路连接。

9.根据权利要求8所述的太赫兹探测装置，其特征在于，所述偏置电压分压器包括第四电阻、第五电阻和第六电阻；

所述第四电阻、第五电阻和第六电阻与外部供电电源依次串联形成回路，且所述第五电阻为滑动变阻器，

所述第一运算放大器的同相输入端与所述第五电阻连接。

10.根据权利要求5所述的太赫兹探测装置，其特征在于，所述第三级放大电路包括第三耦合电阻和电压跟随器；

所述电压跟随器的同相输入端经所述第三耦合电阻与所述第二级放大电路的输出端连接，所述电压跟随器的负向输入端与所述电压跟随器的输出端连接。