CN112764119B - 基于高激发态原子的太赫兹波频率上转换探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的基于高激发态原子的太赫兹波频率上转换探测器，包括离轴抛物面镜，离轴抛物面镜的球面上位于主轴的位置设置有太赫兹透镜，太赫兹透镜位于离轴抛物面镜外的一侧设置有太赫兹发生器，太赫兹透镜位于离轴抛物面镜内的焦点与离轴抛物面镜的焦点位置重合且设置有高激发态原子产生装置，离轴抛物面镜远离太赫兹透镜的一端设置有透镜，透镜位于离轴抛物面镜外一侧的主轴上设置有光电倍增管，光电倍增管上连接有与太赫兹发生器连接的信号采集装置。本发明公开的基于高激发态原子的太赫兹波频率上转换探测器，解决了现有上转换器件稳定性和灵敏度低的问题。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹探测装置技术领域，具体涉及一种基于高激发态原子的太赫兹波频率上转换探测器。
背景技术
太赫兹(THz)电磁波是频率从100GHz到10THz，波长从3毫米到30微米，介于毫米波与红外光之间的电磁辐射。由于其独特的性质，在物理、化学、电子信息、生命科学、材料科学、天文学、大气与环境监测、通讯雷达、国家安全与反恐等众多重要领域具有广阔的应用前景，因此得到国内外政府和学术组织的高度重视。近年来，THz科学和技术在很多领域都得到了蓬勃发展，尤其是THz光谱技术和THz成像技术在毒品和爆炸物检测、无损探伤、安全检查、生物医学等领域越来越凸显出其独特的、不可替代的优势。迄今为止，缺少高灵敏度的THz探测器是制约THz技术发展的瓶颈之一。
从探测机制上，根据物理效应的不同，可以将目前广泛使用的THz波探测器大致分为以下四类：
(1)测热探测器
这类探测器工作时，工作物质吸收THz辐射后温度升高，导致其某些物理特性变化，通过测量这些变化量获得被吸收THz波的特征参量。常用的此类探测器有：量热辐射计、热释电探测器、高莱探测器。这类探测器的频谱响应范围较宽，可以覆盖整个THz频段。其中，量热辐射计的灵敏度最高，噪声等效功率(NEP)可达10-19-10-14W/Hz1/2。由于测热探测器靠THz波加热工作物质引起其物理特性变化，所以这类探测器的响应速度相对较慢，有些要工作在低温环境中，如量热辐射器。
(2)光子(量子)探测器
此类探测器吸收THz光子后，产生电子，导致器件阻抗变化，通过测量阻抗变化来获得待测THz波的幅值、功率等信息。由于THz频段的光子能量非常低，主要由器件表层的杂质能级和导带或价带间的能隙来响应。这类探测器是电子参与探测响应的全过程，其响应速度快。但是，由于工作物质的能隙相对较小，需要在低温环境下工作。
(3)整流探测器
此类探测器基于材料的非线性效应工作，材料中产生和入射THz波同频的电流信号和直流分量，其中直流分量主要由入射THz波的能量和幅值决定。
基于非线性光学晶体的THz时域光谱系统可以实现对THz波的相干测量，且系统具有较高的信噪比，但是由于需要使用价格昂贵的飞秒激光器，导致整个系统成本较高，且系统较复杂。
基于该物理效应工作的电子学探测器，由于器件结电容和电感的复合阻抗在高频情况下插损随频率升高而持续增加，在THz波的高频段很难实现整流探测。目前，已有的损耗相对较低的探测器只能探测1THz以下的信号。
此外，还有基于超导体的整流探测器，例如，超导体-绝缘体-超导体(SIS)结构的光子辅助隧穿器件，然而此类超导探测器要工作在4K的低温环境中。
(4)混频器
混频器主要用于外差探测，它同时接收待测信号和与待测信号频率临近的本振信号，输出二者的差频信号，这个过程称为混频或者下变频。由于携带待测THz波信息的信号被降频，可以使用低频放大器来放大信号；可以通过选择与信号带宽接近的带通滤波器来抑制噪声，因为信号是窄带的，进入探测频带的噪声也相应比较低。基于上述两个原因，这种系统具有很高的灵敏度。但是，这些混频器需要工作在极低的温度下，且一般只能探测较低的THz频段，通常用于天文观测。
通过分析可知上述THz波探测器虽然在THz研究的各个领域已经得到应用，但是在工作温度、响应速度、灵敏度、带宽等方面还存在诸多不足。近红外、可见及紫外波段的探测器的发展日趋成熟，已经具有非常高的灵敏度，因此利用一些材料对THz波的频率上转换效应，将THz波转换成近红外、可见或紫外光进行探测是研制高灵敏度THz波探测器的一条有效途径。
目前，对THz波进行频率上转换的方法主要有以下三种：
(1)利用非线性晶体对THz波进行频率上转换
利用ZnGeP2晶体、MgO:LiNbO3晶体等非线性晶体作为频率上转换材料，将波长为1.064μm的纳秒激光脉冲与THz波在该晶体内差频，产生近红外波段的频率上转换信号，用光电探测器或光电倍增管对该信号进行测量，进而计算出所测THz信号的特征参量。该方法具有响应速度快(ns量级)、灵敏度高、不需要低温冷却系统等优点。但是，需要使用纳秒激光器和具有较高二阶磁化系数χ(2)的非线性晶体，要对晶体的相位匹配进行严格控制，测试光路比较复杂，仅适合在实验室环境使用。
(2)量子阱型THz波频率上转换器件
将量子阱光电探测器(QWP)和发光二极管(LED)通过外延生长工艺集成在一起，实现将THz辐射向近红外光的转换。器件工作时，在QWP-LED两端施加偏置电压，当器件接收到中、远红外辐射后，QWP电阻改变，引起器件中电流变化，导致LED发光改变。由于对LED和QWP的各外延层的晶格匹配要求苛刻，导致在低频THz波段的转换效率非常低。QWP-LED频率上转换器件一般工作于3THz以上的高频THz波段，且只对特定频段具有较高的响应，需要极低的工作温度，器件的制备工艺非常复杂。
(3)放电气体频率上转换器件
2005年，M.S.Gitlin首次报道了利用中等压力的Cs-Xe混合气体直流放电产生的等离子体连续发光区域对从回旋振荡管发出的110GHz的电磁波进行成像。该研究中，在气体放电装置的两电极之间设计了长方体形薄层空间作为探测区，充入压强约为50Torr的Xe气，通过控制温度、Cs的注入量和放电电压，在探测区产生均匀等离子体。当THz波照射探测区时，电子能量增加，导致电子与Xe原子相互作用的韧致辐射发光强度增强加，利用CCD相机检测光强变化，获得了待测THz波的强度分布。实验中，THz波功率高达1kW-3kW，相机的曝光时间为64μs。该器件在THz波段的灵敏度还不够高，只是用于对高功率THz波的成像检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于高激发态原子的太赫兹波频率上转换探测器，解决了现有上转换器件稳定性和灵敏度低的问题。
本发明所采用的技术方案是：基于高激发态原子的太赫兹波频率上转换探测器，包括离轴抛物面镜，离轴抛物面镜的球面上位于主轴的位置设置有太赫兹透镜，太赫兹透镜位于离轴抛物面镜外的一侧设置有太赫兹发生器，太赫兹透镜位于离轴抛物面镜内的焦点与离轴抛物面镜的焦点位置重合且设置有高激发态原子产生装置，离轴抛物面镜远离太赫兹透镜的一端设置有透镜，透镜位于离轴抛物面镜外一侧的主轴上设置有光电倍增管，光电倍增管上连接有与太赫兹发生器连接的信号采集装置。
本发明的特点还在于，
高激发态原子产生装置包括一个空心石英球构成的气室，气室内并列安装有两个电极，两个电极与直流电源、限流电阻和毫安表构成串联的闭合回路，太赫兹透镜位于离轴抛物面镜内的焦点与离轴抛物面镜的焦点位置位于两个电极之间。
气室的内径为1-50mm。
气室内充入有压强0.1-900托的潘宁混合气体。
两个电极的长度均为0.5-48mm。
限流电阻的阻值为1-1000欧姆。
光电倍增管包括均与信号采集装置连接的第一光电倍增管和第二光电倍增管，第一光电倍增管位于透镜的焦点位置，第二光电倍增管和透镜的中心间距与透镜和高激发态原子产生装置的中心间距相等。
第一光电倍增管和第二光电倍增管的窗口均安装有滤波片。
第二光电倍增管和透镜的中心间距、透镜和高激发态原子产生装置的中心间距均为透镜焦距的两倍。
信号采集装置为锁相放大器或示波器。
本发明的有益效果是：
稳定性好：光学探测器(光电倍增管)与气体放电电路是光电隔离的，气体放电回路中的电流扰动不会对光学探测器造成干扰，提高了探测系统的稳定性。
灵敏度高：光学探测器具有很高的灵敏度和信噪比，将THz波转换到光波段利用光学探测器探测可大幅度提高探测的灵敏度。
附图说明
图1是本发明基于高激发态原子的太赫兹波频率上转换探测器的结构示意图。
图中，1.高激发态原子产生装置，2.直流电源，3.限流电阻，4.毫安表，5.太赫兹发生器，6.太赫兹透镜，7.离轴抛物面镜，8.透镜，9.第一光电倍增管，10.第二光电倍增管，11.信号采集装置。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种基于高激发态原子的太赫兹波频率上转换探测器，能将太赫兹波上转换到可见光频段进行探测。
缺少灵敏度高、响应速度快、价格较低的室温THz波探测器是制约THz技术发展的瓶颈之一。由于THz波的特殊性，自然界中能够与其相互作用并表现出明显物理效应的材料非常有限，导致现有的THz波探测技术发展受到限制。利用频率上转换技术，将THz波段变换到近红外、可见或紫外波段是大幅度提高THz波探测器灵敏度的一种有效方法。但是，目前已经使用的频率上转换技术仍存在较多局限性。本发明针对这一问题，利用一种惰性气体或者几种惰性气体混合而成的潘宁混合气体发生放电产生高激发态高激发态原子，在THz波作用下，高激发态原子发生能级跃迁，光谱中产生新的光谱，信号采集装置11检测发光变化的光谱强度，太赫兹发生器5的TTL调制信号同时输入到信号采集装置11使其仅仅读取与TTL的调制频率相同的信号，从而实现对THz波的频率上转换探测。
本发明的基于高激发态原子的太赫兹波频率上转换探测器，如图1所示，包括离轴抛物面镜7，离轴抛物面镜7的球面上位于主轴的位置设置有太赫兹透镜6，太赫兹透镜6位于离轴抛物面镜7外的一侧设置有太赫兹发生器5，太赫兹透镜6位于离轴抛物面镜7内的焦点与离轴抛物面镜7的焦点位置重合且设置有高激发态原子产生装置1，离轴抛物面镜7远离太赫兹透镜6的一端设置有透镜8，透镜8位于离轴抛物面镜7外一侧的主轴上设置有光电倍增管，光电倍增管上连接有与太赫兹发生器5连接的信号采集装置11，信号采集装置11为锁相放大器或示波器。
其中，高激发态原子产生装置1包括一个内径为1-50mm空心石英球构成的气室，气室内充入有压强0.1-900托的潘宁混合气体，气室内并列安装有两个长度均为0.5-48mm的电极，两个电极与直流电源2、限流电阻3和毫安表4构成串联的闭合回路，限流电阻3的阻值为1-1000欧姆，太赫兹透镜6位于离轴抛物面镜7内的焦点与离轴抛物面镜7的焦点位置位于两个电极之间。
光电倍增管包括均与信号采集装置11连接的第一光电倍增管9和第二光电倍增管10，第一光电倍增管9位于透镜8的焦点位置，第二光电倍增管10和透镜8的中心间距与透镜8和高激发态原子产生装置1的中心间距相等。
工作时，通过直流电源2、限流电阻3和毫安表4控制放电电流，引起高激发态原子产生装置1中气体电离产生高激发态原子，由太赫兹发生器5产生的太赫兹波经过太赫兹透镜6汇聚于高激发态原子产生装置1的两个电极之间的区域，引起放电气体发光变化。高激发态原子产生装置1发出的光中的一部分照射到离轴抛物面镜7的内表面，经反射成为平行光，经过透镜8汇聚于其焦点处的第一光电倍增管9上；高激发态原子产生装置1到透镜8的距离为透镜8的焦距的2倍，这样由高激发态原子产生装置1发出的光中不经离轴抛物面镜7反射直接照射到透镜8的光线汇聚于安装在透镜8的另一侧2倍焦距处的第二光电倍增管10上。第一光电倍增管9和第二光电倍增管10输出的光电流并联后输入到信号采集装置11中，可以在两个光电倍增管的窗口安装滤波片将高激发态原子产生装置1例如氖气本身的发光谱线585nm、638nm、837nm滤除掉，方便信号采集装置11检测发光变化的光谱，同时将太赫兹发生器5的TTL调制信号输入信号采集装置11中使其仅读取与TTL调制信号频率相同的信号。
通过上述方式，本发明基于高激发态原子的太赫兹波频率上转换探测器中光电倍增管与气体放电电路是光电隔离的，气体放电回路中的电流扰动不会对光学探测器造成干扰，从而提高了探测系统的稳定性；光电倍增管具有很高的灵敏度和信噪比，将THz波转换到光波段利用光学探测器探测可大幅度提高探测的灵敏度。
Claims (10)
1.基于高激发态原子的太赫兹波频率上转换探测器，其特征在于，包括离轴抛物面镜（7），离轴抛物面镜（7）的球面上位于主轴的位置设置有太赫兹透镜（6），太赫兹透镜（6）位于离轴抛物面镜（7）外的一侧设置有太赫兹发生器（5），太赫兹透镜（6）位于离轴抛物面镜（7）内的焦点与离轴抛物面镜（7）的焦点位置重合且设置有高激发态原子产生装置（1），离轴抛物面镜（7）远离太赫兹透镜（6）的一端设置有透镜（8），透镜（8）位于离轴抛物面镜（7）外一侧的主轴上设置有光电倍增管，光电倍增管上连接有与太赫兹发生器（5）连接的信号采集装置（11）。
2.如权利要求1所述的基于高激发态原子的太赫兹波频率上转换探测器，其特征在于，所述高激发态原子产生装置（1）包括一个空心石英球构成的气室，气室内并列安装有两个电极，两个电极与直流电源（2）、限流电阻（3）和毫安表（4）构成串联的闭合回路，太赫兹透镜（6）位于离轴抛物面镜（7）内的焦点与离轴抛物面镜（7）的焦点位置重合且位于两个电极之间。
3.如权利要求2所述的基于高激发态原子的太赫兹波频率上转换探测器，其特征在于，所述气室的内径为1-50mm。
4.如权利要求2所述的基于高激发态原子的太赫兹波频率上转换探测器，其特征在于，所述气室内充入有压强0.1-900托的潘宁混合气体。
5.如权利要求2所述的基于高激发态原子的太赫兹波频率上转换探测器，其特征在于，所述两个电极的长度均为0.5-48mm。
6.如权利要求2所述的基于高激发态原子的太赫兹波频率上转换探测器，其特征在于，所述限流电阻（3）的阻值为1-1000欧姆。
7.如权利要求1所述的基于高激发态原子的太赫兹波频率上转换探测器，其特征在于，所述光电倍增管包括均与信号采集装置（11）连接的第一光电倍增管（9）和第二光电倍增管（10），第一光电倍增管（9）位于透镜（8）的焦点位置，第二光电倍增管（10）和透镜（8）的中心间距与透镜（8）和高激发态原子产生装置（1）的中心间距相等。
8.如权利要求7所述的基于高激发态原子的太赫兹波频率上转换探测器，其特征在于，所述第一光电倍增管（9）和第二光电倍增管（10）的窗口均安装有滤波片。
9.如权利要求7所述的基于高激发态原子的太赫兹波频率上转换探测器，其特征在于，所述第二光电倍增管（10）和透镜（8）的中心间距、透镜（8）和高激发态原子产生装置（1）的中心间距均为透镜（8）焦距的两倍。
10.如权利要求1所述的基于高激发态原子的太赫兹波频率上转换探测器，其特征在于，所述信号采集装置（11）为锁相放大器或示波器。
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