[发明专利]一种太赫兹能量探测器、探测系统及应用

说明书

本发明实施例提供了一种太赫兹能量探测器及探测系统，通过采用P‑N结单元发光二极管作为接收太赫兹波的接收器，实现对太赫兹波的能量探测。本发明实施例中采用P‑N结单元发光二极管构建太赫兹能量探测器及探测系统，并不受温度和周围环境的限制，且体积小、操作简单、成本低，而且与热释电探测器不同，本发明实施例中提供的太赫兹能量探测器并不需要外加驱动电压，得到的数据真实可靠。

技术领域

本发明属于光电器件技术领域，具体涉及一种太赫兹能量探测器、探测系统及应用。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1THz到30THz范围的电磁波，波长大概在0.03到3mm的范围，在电磁波谱上位于远红外和毫米波之间，其在无线通讯、公共安全、天文、医学成像与超快光谱等诸多领域有着重要的应用。太赫兹波所处的频段的特殊位置赋予了该频段特殊的性质，比如太赫兹频率对应生物大分子的振动能级和转动能级，对应水分子的氢键能量和范德瓦尔斯力的能量，许多生物分子在这个频段都具有指纹光谱，可应用在物质鉴别和识别；太赫兹频段意味着更大的信息容量，为通信遥感、航空航天提供更好的通信手段。太赫兹波相对于可见光来说，其波长更长，穿透能力更好，对衣物、毛皮、纸张、皮革等透明，可用于安检和反恐；太赫兹波相对于毫米波而言，其波长更短，在用于成像时可获得更好的成像分辨率。基于飞秒激光器产生的太赫兹波具有时间分辨的能力和宽带特性，因此基于飞秒激光器产生的太赫兹波搭建的太赫兹光谱和成像技术已经使得太赫兹波在物理、化学、材料、生物、医学等各个领域迅速发展起来。

阻碍太赫兹科学与技术发展的瓶颈在于高效率太赫兹辐射源的缺乏、太赫兹功能器件的缺乏、太赫兹探测器的缺乏，以及太赫兹波与物质相互作用的研究甚少。虽然在太赫兹辐射源和功能器件方面，人们已经有了非常多的研究，但是在太赫兹探测器方面的研究相对薄弱。至今还没有出现非常低成本的高灵敏度探测器。

随着科学技术的进步，目前基于飞秒激光技术频率下转换、量子级联技术、真空电子学获得的太赫兹辐射的功率已经达到毫瓦量级甚至千瓦量级。对于这样的高能太赫兹辐射源的出现，对太赫兹能量探测器的需求急剧上升，其中以飞秒激光技术为代表的光学整流效应产生高能太赫兹辐射技术，以及激光等离子体产生太赫兹辐射技术是在实验室获得峰值功率高、超短脉冲，且具备时间分辨能力的太赫兹辐射源的最佳方法。基于飞秒激光光学整流效应产生太赫兹辐射技术分为非线性有机晶体和基于铌酸锂的倾斜波前技术。基于非线性有机晶体的太赫兹辐射技术已可以获得辐射能量大于0.9mJ的太赫兹波，而基于铌酸锂的倾斜波前技术的太赫兹辐射源也已可获得辐射能量大于0.4mJ的太赫兹波。基于飞秒激光的等离子体太赫兹辐射源，则可获得辐射能量大于1mJ量级的太赫兹波，而基于激光双色场诱导的等离子体太赫兹辐射源，也可获得辐射能量大于5μJ的太赫兹波。如此高能量的太赫兹辐射源即可直接采用太赫兹能量探测器来对太赫兹波进行检测。伴随着高能强场太赫兹辐射源的进一步发展，对低成本的太赫兹能量探测器有极大的需求。

太赫兹探测技术主要分为间接探测技术和直接探测技术两大类。间接探测技术以基于非线性光学晶体的电光取样技术为代表，利用了飞秒激光的相干检测能力。该方法又称为线性电光效应，利用太赫兹波的电场对非线性光学晶体的折射率的调制，并利用另外一束近红外探测光将折射率变化检测出来，从而可以直接测量出太赫兹波的电场时域波形。直接的探测技术大多是基于热电探测技术，最早的有硅的热辐射计，这样的探测器需要低温冷却装置。后来发展出来了室温可用的热辐射探测器，但是价格昂贵。为此，发展低成本的太赫兹能量探测器非常必要。

太赫兹能量探测器主要分为间接能量探测器和直接能量探测器。间接能量探测器以电光取样技术为代表，利用晶体折射率的变化间接获得太赫兹辐射波形的方法，很难应用在高能强场的太赫兹真实能量的探测中。因为强场的太赫兹辐射会使得探测光的偏振方向旋转过度，导致探测出来的太赫兹能量和电场强度并非真实的发射值。而且这样的缺点随着高能太赫兹辐射源的发射能量进一步提高会更加明显。而且这样的装置复杂，光路搭建和调谐都对技术要求很高，而且成本也较高，不能直接探测太赫兹波的能量，对于优化太赫兹发射器的效率等非常不适用。