[发明专利]一种利用超导约瑟夫森结检测太赫兹信号频谱的装置

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种利用超导约瑟夫森结进行电磁信号测量系统，该系统主要用来进行太赫兹(THz)频谱信息检测。

二、背景技术

近十几年来超快激光技术的迅速发展，极大地促进了太赫兹波的产生、检测和应用技术的发展。这一曾被称为″THz空白″的电磁波段，近几年来的研究取得了许多进展。为了研究并应用太赫兹技术，太赫兹波检测就成为了急需解决的难题。太赫兹波检测方法比较多，各有各的特点，其中，利用超导约瑟夫森结构成频谱信息检测仪，是太赫兹检测技术的研究和应用领域的新成果。

目前THz波的频谱分析仪的使用仅局限于少数大型科研单位，主要原因是相关仪器的尺寸大、价格高。如付立叶频谱分析仪，其尺寸有数立方米，价格也超过千万元，加上操作的复杂性，很难推广于普及应用。利用超导约瑟夫森结构成频谱信息检测仪，不仅体积小且操作简便。这将大大促进THz波的推广应用。

该检测仪主要可以对100GHz到5THz的太赫兹波进行检测，低于这个频带一般可以使用常规微波技术，高于这个频带则可以使用光学手段。而传统的测量设备不是非常适合应用在THz波段，其性能参数在THz波段会有很大的下降。为了提高该波段电磁波的测量精度，我们研究并开发了一套小型THz信号检测系统，该设备是基于Hilbert变换的频谱检测系统。它利用超导约瑟夫森结的I(电流)-V(电压)特性曲线在微波辐照后会出现Shapiro台阶这个物理现象，采用DSP系统实现频谱检测。近年来的相关研究表明，其检测的灵敏度可高达9000V/W，在单一温度下使用单个结的检测频带宽度可达50：1(76GHz至3.1THz)，检测频率可高达4.25THz。这些优势使我们相信基于约瑟夫森结的THz信号频谱检测系统是非常实用的.

超导约瑟夫森结频谱检测原理：当约瑟夫森结两端加上直流电压时，将产生与直流电压成正比的高频电流，若用微波信号照射该结，则其I-V特性曲线上会出现Shapiro台阶，台阶的电压位置与信号的频率大小有明确的关系V=Φ0[fs+(δf2)].]]>利用这一特性可以用约瑟夫森结来测量THz频段的电磁辐射频率谱。根据RSJ模型理论，约瑟夫森结的电压响应函数H(V)与信号的频谱S(f)的Hilbert变换关系H(V)=8Φ0πI(V)VIC2RN2ΔI(V),]]>对结的电压响应函数H(V)进行逆Hilbert变换即可得到信号的频谱S(f)。利用这个原理制作成的微弱电磁辐射探测设备不需要另外的本振，就可以得到信号的频率、幅度等信息。因此，我们只需要测量约瑟夫森结对太赫兹波照射的电压响应，通过Hilbert变换运算即可求得信号的频谱。

已有文献报道的现有超导太赫兹信号频谱检测装置如图1所示，其基本结构部件及功能为：