超高灵敏度太赫兹超导探测器

太赫兹(THz)波段一般定义为0.1—10 THz的频率区间,对应波长范围3 mm—30μm,覆盖短毫米波至亚毫米波段(远红外).尽管人们早已认识到太赫兹波段具有非常重要的科学意义和广泛的应用前景,但该波段仍然是一个有待全面研究和开发的电磁频率窗口.因此,太赫兹波段的天文观测在天体物理及宇宙学研究中具有不可替代的作用,对于理解宇宙状态和演化具有非常重要的意义.具有超高灵敏度的太赫兹超导探测器,已经成为太赫兹波段观测的主要手段.本文主要阐述了太赫兹超导探测器的基本类型和工作原理,以及中国科学院紫金山天文台在该领域的主要研究成果和进展.

半导体读出电路与超导体太赫兹检测器的集成化

在制作基于二维超导检测阵列的太赫兹成像系统时,为了降低系统噪声,提高灵敏度、运行速度和工作稳定性,设计了一种集成低噪声低温半导体读出电路的高灵敏度超导太赫兹检测系统。基于Nb/Al/AlOX/Al/Nb超导隧道结制备了超导太赫兹直接检测器,使用半导体砷化镓结型场效应晶体管制备低温读出电路,并将超导体元器件和半导体元器件集成在同一块芯片上,避免了传统工艺中常用的连接导线或者焊盘。将集成芯片设计成直径为12mm的圆形芯片,与耦合太赫兹波信号的硅超半球透镜的尺寸一致,并将检测器天线制备在集成芯片中心处,解决了太赫兹波的耦合等问题。

极低温下高灵敏太赫兹探测阵列的信号读出

太赫兹(THz)波段的高灵敏探测器在诸多前沿领域中有着巨大的应用价值。超导量子电容探测器(QCD)是一种在THz波段具备单光子探测能力的高灵敏直接探测器,且可实现大规模阵列。对阵列而言,可靠的读出技术是其性能发挥的基本保障。本研究利用零差读出技术进行了QCD信号读出与表征。微波同相正交(IQ)混频器是零差读出电路的重要组成元件,故对IQ混频器进行了详细表征与校准,通过排除其不平衡性对探测器信号读出的影响,提高了测量的可靠性。在此基础上,对QCD的THz响应信号进行了测量,结果显示QCD响应信号与理论预期结果高度一致。此外,所构建的零差读出电路还可用于高灵敏超导微波动态电感探测器(MKID)阵列等极低温(15 mK以下)探测器的信号读出,为高灵敏THz探测器的开发奠定了良好的基础,具有较高的应用价值。

基于硅透镜集成的高灵敏度室温太赫兹探测器

提出了一种基于硅透镜集成的高灵敏度GaN/AlGaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的太赫兹模组探测器。在太赫兹波辐照下,超半球硅透镜可以有效提高太赫兹波收集效率和消除被测器件的衬底干涉效应,进而提高探测器的灵敏度。对集成有直径为6 mm超半球硅透镜的太赫兹探测器件进行了仿真和测试。研究发现在频率为600和900 GHz的太赫兹波辐照下,硅透镜中心区域的太赫兹电场分别增加到原来的5.9倍和6.8倍。在300 K下器件的响应度和噪声等效功率分别为4.5 kV/W和30 pW/Hz0.5,在77 K下器件的响应度达到100 kV/W,噪声等效功率降至1 pW/Hz0.5。

基于MAPbI_(3)/Graphene/Si复合结构的高灵敏宽带太赫兹调制器

高性能硅基太赫兹调制器是构建超宽带太赫兹-光纤混合通信系统的关键器件之一.提出了一种基于钙钛矿/石墨烯/硅(MAPbI_(3)/Graphene/Si)复合结构的近红外光驱动的超宽带大调制深度太赫兹调制器.实验结果表明,石墨烯薄膜和钙钛矿空穴传输层在近红外光驱动下可有效地促进界面电荷分离,增大载流子复合寿命,显著增强器件的表面电导率,进一步调控太赫兹波的传输幅度,实现光控型太赫兹波调制器的功能.通过波长808 nm的近红外调制激励源,对器件在0.2—2.5 THz超宽频率范围的太赫兹透射特性进行表征,实验用6.1 mW/mm^(2)的低功率密度近红外光驱动下实现了高达88.3%的大调制深度,远高于裸硅基底的调制深度(约14.0%),具有高灵敏、宽带和大调制深度等显著优势,并且建立了相应的半解析器件模型,仿真验证了实验结果.所提出的MAPbI_(3)/Graphene复合薄膜在增强硅基调制器性能方面效果显著,为未来实现硅基太赫兹调制器在近红外太赫兹-光纤混合通信系统的集成提供了一种新策略.

“最黑”材料制成高精度激光功率检测器 改进后可为太赫兹射线功率测量提供一种标准

据美国科学促进会网站8月18日报道，美国国家标准技术研究院利用世界最黑材料——森林状多壁碳纳米管作涂层，研制出一种激光功率检测器，可用于光通讯、激光制造、太阳能转换以及工业和卫星运载传感器等先进技术领域的高精度激光功率测量。研究论文发表在最新的《纳米快报》上。

高Q值太赫兹传感器的设计与性能仿真分析

本文设计了一种非对称金属十字单元结构,该结构由沉积于石英基底上的两个相互垂直共面金条构成。传统的金属十字结构中常用的LC谐振和偶极子谐振的辐射损耗较大,限制了超表面传感器实现高品质因子和高透射率,故通过打破传统金属十字结构的对称性,引入类Fano共振效应,从而使得透射峰灵敏度达到了218 GHz/RIU,传感器的品质因子达到了78.3。通过分析该超表面的电场和表面电流分布,探究了Fano共振效应的物理机制,并进一步研究太赫兹传感器的结构参数对透过谱的影响,通过调整结构参数优化该传感器的传感性能。最后,设计了具有不同共振频率的非对称金属十字太赫兹传感器以便后续用于不同种类的微量氨基酸溶液的检测。

高灵敏检测传感芯片应用于脑胶质瘤疾病检测

太赫兹波因其指纹谱识别和无损探测等特性可被应用于物质的快速定性与定量识别。现阶段太赫兹技术方法对物质含量检测的下限在毫克量级,然而实际生物医学样本中待测物的浓度通常在微克量级甚至以下,现有方法限制了其检测灵敏度和可行性。研究中以脑胶质瘤里的特异性物质肌醇(MI)和γ-氨基丁酸(GABA)为例,基于电容电感效应,设计了一款增强太赫兹检测灵敏度的超材料芯片。然后通过测试MI和GABA在不同浓度下的太赫兹光谱,证明其各自随着浓度的变化,芯片谐振峰频移呈现不同的规律,从而进行有效的定性识别,且对于MI和GABA的已知样品,可以根据频移规律实现定量分析。根据实验数据计算可得,所设计的芯片对这两种样品含量检测下限分别为3.457μg和2.552μg,与传统压片法的检测极限相比提高了三个数量级。这些结果对后期生物医学中定性和定量检测疾病的微量特异性物质具有重要参考价值。

高温超导太赫兹辐射源与检测器

利用超导约瑟夫森器件中的约瑟夫森效应,超导材料可用于制备太赫兹辐射源和高灵敏的检测器。由于高温超导材料的能隙较高,因此用高温超导材料制备的太赫兹辐射源与检测器具有工作频率广、工作温度高等优点。文章将简要介绍南京大学超导电子学研究所在高温超导双晶晶界约瑟夫森结检测器和高温超导本征约瑟夫森结太赫兹辐射源等方面的工作进展。

日本科学家研制出太赫兹探测器

检测太赫兹（THz）辐射是一件非常麻烦的事。太赫兹波适用于各种成像应用，因为太赫兹波与许多材料都不会发生强烈的相互作用。但是，如果太赫兹波不被吸收，将不会被检测到。日本的研究人员演示了一种直接检测超导隧道结的太赫兹探测器。其灵敏度高、波段宽，可缩放到任何的阵列规格。

频率可调太赫兹微结构光电导天线

太赫兹波低频段辐射计在地球大气和分子探测中的需求不断增加。在微波电开口谐振环等效电路模型及其谐振特性仿真设计的基础上,将微波谐振结构和传统带状线偶极子光电导天线结合,提出了新型微结构光电导天线,具有频率调节灵敏度高、谐振特性明显的优点。加工了不同尺寸的新型光电导天线和常规的带状线偶极子光电导天线实物,并进行了实验对比研究。两种类型的太赫兹辐射频谱明显不同,新型光电导天线由于微结构电开口谐振环的双频谐振特性出现了两个谐振峰,3 d B相对带宽约为50%,得到了窄带特性;而传统光电导天线只有单峰,3 d B相对带宽为93.07%,显然为宽谱特性。对于新型光电导天线的仿真和实测吻合较好,调节微结构天线的谐振环臂长可以获得较大的峰值频率移动相对值,从而也验证了理论模型、谐振单元仿真结果的有效性。

一种0.3～0.4 THz高功率脉冲探测器模型研究

利用三维电磁场时域有限差分法,研究了n型硅片对0.3～0.4 THz高功率脉冲的响应.模拟计算了波导内电场分布、电压驻波比及硅块内平均电场,给出了硅块几何尺寸和电阻率对上述物理量的影响规律.通过调整硅块的长、宽、高及电阻率,最后给出了一种可用于该频段高功率太赫兹脉冲功率测量的探测器物理模型,其灵敏度约为0.509 kW-1,幅度波动不超过±14％,电压驻波比不大于1.34.

中物院太赫兹自由电子激光:设计、运行及升级

中物院太赫兹自由电子激光(CTFEL)装置是我国第一台基于超导加速器的高重复频率、高平均功率太赫兹自由电子激光装置。CTFEL利用光阴极直流高压电子枪和超导加速器产生约8 MeV电子束在波荡器中产生自发太赫兹(THz)辐射,并在光腔中受激放大获得饱和输出。得益于在0.7~4.2 THz频谱范围内连续可调以及平均功率大于10 W的特性,CTFEL为材料动力学、太赫兹成像、太赫兹生物学等领域提供了独特的研究平台。自2018年开放成为用户装置以来,每年提供不少于1000 h的稳定出光。未来CTFEL将在现有基础上升级成为红外太赫兹自由电子激光装置,实现太赫兹频率全覆盖以及最大功率大于100 W的目标,力争成为世界先进的长波长自由电子激光装置。

高功率太赫兹脉冲半导体探测器的分析与设计

设计了一种基于半导体热电子效应的0.14THz高功率脉冲探测器.首先根据探测器的结构特点,分析了探测器的工作原理,并推导了探测器的相对灵敏度表达式.接着采用三维电磁场时域有限差分法,模拟计算了探测器的电压驻波比和线性区的相对灵敏度.在优化的结构参数下,探测器在0.14THz波段的电压驻波比不大于1.3,相对灵敏度约为0.6kW-1,且在0.13—0.16THz频带内波动不超过10%.然后讨论了焦耳热效应对探测器的影响,考察了太赫兹脉冲宽度与输出电压变化率的关系.最后对探测器的检波模拟和分析结果表明,探测器最大承受功率约为2.2kW,线性工作区最大功率达数十瓦,响应时间为皮秒量级,可完成0.14THz纳秒级高功率太赫兹脉冲的直接测量,提高其功率测量的精度.

太赫兹检测技术

太赫兹(terahertz,简称THz)检测技术是THz技术应用的一个关键环节,它涉及物理学、材料科学、半导体技术、光电子学和超导电子学,是一门综合性很强的技术。文章介绍了一些比较典型的THz检测技术的原理及其应用,特别是国内学者在这方面的工作。

太赫兹自由电子激光装置：曙光闪耀

中国工程物理研究院基于半导体光阴极高压直流电子枪和超导直线加速器的高平均功率太赫兹自由电子激光达到受激饱和，并实现太赫兹输出频率可调。

基于金刚石氮-空位(NV)色心量子传感器进展

中国科学技术大学中科院微观磁共振重点实验室杜江峰、石发展、孔飞等人,基于金刚石氮-空位(NV)色心量子传感器实现了皮特斯拉水平的高灵敏微波磁场测量。该项研究成果日前发表在《科学进展》上。科学研究中,实现对高频微波的高灵敏测量能够为高场高频磁共振谱学、太赫兹成像、甚至天文学观测提供基础支撑。利用从原理上革新的量子传感技术能够大大提升微波的测量灵敏度,在过去的十几年中得到了广泛的研究和发展。目前,常见的量子传感器包括里德堡原子、原子磁力计、超导量子干涉仪、金刚石NV色心等。其中NV色心体系因独特的载体稳定性和室温大气环境兼容性,成为极具发展前景的固态量子传感器,提升探测灵敏度是最重要的发展方向之一。