[发明专利]基于高激发态原子的太赫兹波频率上转换探测器

说明书

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。

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/Hz^1/2。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