CN112268617B - 可同时检测太赫兹波偏振度及时域波形的探测天线阵列 - Google Patents
可同时检测太赫兹波偏振度及时域波形的探测天线阵列 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种可同时检测太赫兹波偏振度及时域波形的探测天线阵列，包括M行具有水平电极的天线阵元和N行具有竖直电极的天线阵元，相邻两行具有水平电极的天线阵元之间设置一行具有竖直电极的天线阵元。该阵列采用一组电极方向互相垂直的天线阵元对称排布形成的光电导天线阵列，作为THz‑TDS系统中的太赫兹波探测器能够同时检测水平和垂直两个方向的太赫兹波，从而实现对太赫兹波偏振态的快速检测。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹科学与技术领域、超高速电子学领域及超快光学技术领域，涉及一种可同时检测太赫兹波偏振度及时域波形的探测天线阵列。
背景技术
太赫兹波是频率在0.1THz-10THz(波长在3mm-30μm)范围内的电磁辐射。相比其他波段，太赫兹电磁波具有瞬态性、宽带性、相干性和低能性等独特性能，使其在物体成像、医疗诊断、环境监测、射电天文、宽带移动通讯、卫星通讯和军用雷达等领域具有重要的科学价值和广阔的应用前景。物质中原子和分子的转动和振动能级大多在太赫兹波段，因此可应用于材料分析、物质检测等领域。
目前，太赫兹时域光谱系统大多采用光电导天线作为太赫兹辐射源和探测器，在进行材料检测时，通常检测经样品透射或反射的太赫兹波的时域波形，通过傅里叶变换得到样品的光学参数，如折射率、吸收系数、消光系数、电导率等。但是，如果材料导致太赫兹波的偏振态改变时，会造成光谱信息错误，进而得出错误结论。因此，对这类物质检测时，需要同时检测太赫兹波的偏振度。目前常用的太赫兹波偏振度的测量方法主要有：1.利用电光晶体探测，通过旋转电光晶体测量太赫兹波的偏振方向，缺点是需要在90°角范围内旋转测量，测试耗时较长；2.利用光电导探测天线进行测量，同样需要在90°角范围内旋转探测天线测量太赫兹波的偏振方向，缺点是此方法难以保证在旋转探测天线的过程中探测光焦点和太赫兹波焦点一直重合于探测天线电极间隙的同一位置，容易产生较大的误差，而且这种测量方法耗时较长。
发明内容
本发明的目的是提供一种可同时检测太赫兹波偏振度及时域波形的探测天线阵列，该阵列采用一组电极方向互相垂直的天线阵元对称排布形成的光电导天线阵列，作为THz-TDS系统中的太赫兹波探测器能够同时检测水平和垂直两个方向的太赫兹波，从而实现对太赫兹波偏振态的快速检测。
本发明所采用的技术方案是，可同时检测太赫兹波偏振度及时域波形的探测天线阵列，包括M行具有水平电极的天线阵元和N行具有竖直电极的天线阵元，相邻两行具有水平电极的天线阵元之间设置一行具有竖直电极的天线阵元。
本发明的特点还在于，
每行具有水平电极的天线阵元中包括a对具有水平电极的天线阵元；每对具有水平电极的天线阵元中包括天线阵元电极I和天线阵元电极II，相邻两个天线阵元电极I之间依次连接，相邻两个天线阵元电极II之间依次连接；
每行具有竖直电极的天线阵元中包括b对具有竖直电极的天线阵元；具有竖直电极的天线阵元中包括天线阵元电极III和天线阵元电极IV，相邻两个天线阵元电极III之间依次连接，相邻两个天线阵元电极IV之间依次连接；且a＝b；
位于端部的天线阵元电极I连接至焊盘C上，位于端部的天线阵元电极II连接至焊盘A上；
位于端部的天线阵元电极III连接至焊盘D上，位于端部的天线阵元电极IV连接至焊盘B上。
天线阵元电极I、天线阵元电极II、天线阵元电极III及天线阵元电极IV均制备于GaAs衬底材料上，然后安装于支撑衬底材料上。
支撑衬底材料选用石英、聚乙烯、聚四氟乙烯中的一种。
焊盘A和焊盘B与SMA接口I连接，焊盘C和焊盘D与SMA接口II连接。
焊盘A、焊盘B、焊盘C、焊盘D、SMA接口I及SMA接口II与PCB印刷电路板连接，所述M行具有水平电极的天线阵元和N行具有竖直电极的天线阵元构成的天线阵列粘接在PCB印刷电路板的几何中心。
本发明的有益效果是，当天线阵列接收到太赫兹波时，光生载流子在太赫兹电场的驱动下沿着电场的偏振方向做漂移运动，当太赫兹电场的偏振方向与电极方向平行时，探测天线输出的由太赫兹电场作用产生的电流最大；当太赫兹电场的偏振方向与电极方向垂直时，探测天线无电流输出；当太赫兹电场方向与电极方向夹角介于0°-90°时，相互垂直的M行具有水平电极的天线阵元和N行具有竖直电极的天线阵元均有太赫兹电场作用产生的电流输出，根据马吕斯定律可以算得所接收到的太赫兹波的偏振化方向。THz-TDS系统中平移台在一定范围内扫描，可以获得水平和竖直方向的太赫兹波分量的时域波形。
附图说明
图1是本发明可同时检测太赫兹波偏振度及时域波形的探测天线阵列的结构示意图；
图2是本发明可同时检测太赫兹波偏振度及时域波形的探测天线阵列中具有水平电极的天线阵元；
图3是本发明可同时检测太赫兹波偏振度及时域波形的探测天线阵列中具有竖直电极的天线阵元；
图4是本发明可同时检测太赫兹波偏振度及时域波形的探测天线阵列安装在PCB板上的安装示意图；
图5是本发明可同时检测太赫兹波偏振度及时域波形的探测天线阵列中随机选择两个阵元构成2×1天线阵列的实验测试结果图；
图6是本发明可同时检测太赫兹波偏振度及时域波形的探测天线阵列在90°角旋转范围内各角度对应的天线阵列输出时域信号的峰峰值示意图。
图中，1.天线阵元电极I，2.天线阵元电极II，3.天线阵元电极III，4.天线阵元电极IV，5.焊盘A，6.焊盘B，7.焊盘C，8.焊盘D，9.PCB印刷电路板，10.SMA接口I，11.天线阵元，12.SMA接口II。
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。
本发明可同时检测太赫兹波偏振度及时域波形的探测天线阵列，如图1所示，包括M行具有水平电极的天线阵元和N行具有竖直电极的天线阵元，相邻两行具有水平电极的天线阵元之间设置一行具有竖直电极的天线阵元。
每行具有水平电极的天线阵元中包括a对具有水平电极的天线阵元；如图2所示，每对具有水平电极的天线阵元中包括天线阵元电极I1和天线阵元电极II 2，相邻两个天线阵元电极I1之间依次连接，相邻两个天线阵元电极II之间依次连接；
每行具有竖直电极的天线阵元中包括b对具有竖直电极的天线阵元；如图3所示，具有竖直电极的天线阵元中包括天线阵元电极III3和天线阵元电极IV4，相邻两个天线阵元电极III3之间依次连接，相邻两个天线阵元电极IV4之间依次连接；且a＝b；
位于端部的天线阵元电极I1连接至焊盘C7上，位于端部的天线阵元电极II2连接至焊盘A5上；
位于端部的天线阵元电极III3连接至焊盘D8上，位于端部的天线阵元电极IV4连接至焊盘B6上。
天线阵元电极I1、天线阵元电极II2、天线阵元电极III3及天线阵元电极IV4均制备于GaAs衬底材料上，然后安装于支撑衬底材料上。
支撑衬底材料选用石英、聚乙烯、聚四氟乙烯中的一种。
焊盘A5和焊盘B6与SMA接口I10连接，焊盘C7和焊盘D8与SMA接口II12连接。
焊盘A5、焊盘B6、焊盘C7、焊盘D8、SMA接口I10及SMA接口II12安装与PCB印刷电路板9，M行具有水平电极的天线阵元和N行具有竖直电极的天线阵元构成的天线阵列11粘接在PCB印刷电路板9的几何中心，参见图4。
本发明可同时检测太赫兹波偏振度及时域波形的探测天线阵列中，天线阵元电极I1、天线阵元电极II2、天线阵元电极III3、天线阵元电极IV4的衬底材料为GaAs材料，可以是利用液拉直封法制备的(100)晶向的半绝缘GaAs，其电阻率高于107Ω·cm，厚度为0.2-1mm，也可以是在半绝缘GaAs衬底上低温生长的LT-GaAs，其厚度大于1.5μm，因为GaAs对波长为800nm飞秒激光的吸收深度约为1μm。在基片上使用常规光刻技术制备电极形状，然后通过电子束蒸发在基片上沉积Ni/Au-Ge/Au金属层，最后通过快速热退火使其合金化，退火温度300-500℃，退火时间0.5-3分钟，制备出具有AuGeNi合金欧姆接触电极的砷化镓光电导天线。偶极天线长度(L＝50μm-250μm)、偶极天线宽度(w＝10μm-30μm)、偶极间隙(g＝2μm-250μm)，如图2所示，所用偶极天线长度L＝250μm、偶极间隙g＝50μm、偶极天线宽度w＝30μm)，各阵元的砷化镓基底(基底边长1mm)被激光切割成独立单元(虚线为激光切割路径)，避免阵元之间产生相互干扰的探测电流信号，阵列天线的支撑衬底材料为高阻硅。将阵列天线各电极进行标号，水平放置天线阵元的电极连接至一个SMA接口10用于水平偏振电场信号，垂直放置天线阵元的电极连接至SMA接口12用于输出垂直偏振电场信号。
通过调整触发光位置使两天线的通态电阻一致，太赫兹波的偏振方向为水平方向，测试结果如图5所示。实验结果显示，具有水平方向电极的天线阵元探测到了太赫兹时域波形，具有竖直方向电极的天线阵元几乎无信号输出，说明用该天线阵列可以检测太赫兹波的偏振态。将天线阵列在90°角范围内旋转测量，获取各角度的天线阵列输出的时域波形信号，利用马吕斯定律计算太赫兹波偏振角度，得出本发明用于太赫兹电场偏振度测量的准确率为99.4％，如图6所示。
本发明中具有水平方向电极的天线阵元和具有垂直方向电极的天线阵元各占一半，并在阵列中均匀排布。天线阵元之间的衬底材料被切割，将每个天线阵元分离开，以消除相邻阵元之间的干扰，将分离的天线阵元安装于支撑衬底材料上，支撑材料可选用高阻硅、高透过率的石英、聚乙烯、聚四氟乙烯等。利用金丝压焊技术将各个天线阵元的正负电极分别与PCB板上的对应焊点连接，PCB板双面布线，将阵列中M行具有水平电极的天线阵元和N行具有竖直电极的天线阵元按照电极方向分别连接至两个SMA接口，经同轴线连接到锁相放大器。当探测光均匀照射天线阵列时，天线材料中产生光生载流子，两种相互垂直分布的天线阵元的总电阻几乎相等。
本发明可同时检测太赫兹波偏振度及时域波形的探测天线阵列，设计了一种由一组电极方向互相垂直的天线阵元对称排布形成的光电导天线阵列，将其作为THz-TDS系统中的太赫兹波探测器能够同时检测水平和垂直两个方向的太赫兹波，从而实现对太赫兹波偏振态的快速检测。同时，能够获得两个方向的太赫兹脉冲的时域波形。将其应用于对太赫兹波具有旋光性或双折射特性的材料的检测，能够避免传统的光电导天线探测或电光晶体探测造成的误差，并大大提高了探测的效率。
Claims (2)
1.可同时检测太赫兹波偏振度及时域波形的探测天线阵列，其特征在于，包括M行具有水平电极的天线阵元和N行具有竖直电极的天线阵元，相邻两行具有水平电极的天线阵元之间设置一行具有竖直电极的天线阵元；
每行所述具有水平电极的天线阵元中包括a对具有水平电极的天线阵元；每对具有水平电极的天线阵元中包括天线阵元电极I和天线阵元电极II，相邻两个天线阵元电极I之间依次连接，相邻两个天线阵元电极II之间依次连接；
每行具有竖直电极的天线阵元中包括b对具有竖直电极的天线阵元；具有竖直电极的天线阵元中包括天线阵元电极III和天线阵元电极IV，相邻两个天线阵元电极III之间依次连接，相邻两个天线阵元电极IV之间依次连接；且a＝b；
位于端部的天线阵元电极I连接至焊盘C上，位于端部的天线阵元电极II连接至焊盘A上；
位于端部的天线阵元电极III连接至焊盘D上，位于端部的天线阵元电极IV连接至焊盘B上；
所述天线阵元电极I、天线阵元电极II、天线阵元电极III及天线阵元电极IV均制备于GaAs衬底材料上，然后安装于均安装于支撑衬底材料上；
所述焊盘A和焊盘B与SMA接口I连接，焊盘C和焊盘D与SMA接口II连接；
所述焊盘A、焊盘B、焊盘C、焊盘D、SMA接口I及SMA接口II安装于PCB印刷电路板上，所述M行具有水平电极的天线阵元和N行具有竖直电极的天线阵元构成的天线阵列粘接在PCB印刷电路板的几何中心；
将阵列天线各电极进行标号，水平放置天线阵元的电极连接至一个SMA接口用于水平偏振电场信号，垂直放置天线阵元的电极连接至SMA接口用于输出垂直偏振电场信号；
通过调整触发光位置使两天线的通态电阻一致，太赫兹波的偏振方向为水平方向，具有水平方向电极的天线阵元探测到了太赫兹时域波形，具有竖直方向电极的天线阵元几乎无信号输出，说明用该天线阵列可以检测太赫兹波的偏振态。
2.根据权利要求1所述的可同时检测太赫兹波偏振度及时域波形的探测天线阵列，其特征在于，所述支撑衬底材料选用石英、聚乙烯、聚四氟乙烯中的一种。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Shi Wei Inventor after: Hou Lei Inventor after: Ma Cheng Inventor after: Dong Chengang Inventor after: Wang Zhiquan Inventor after: Yang Lei Inventor before: Hou Lei Inventor before: Ma Cheng Inventor before: Dong Chengang Inventor before: Wang Zhiquan Inventor before: Yang Lei |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |