一种太赫兹波探测器

摘要

本发明公开了一种太赫兹波探测器，用于探测来自太赫兹波辐射源的太赫兹波，所述太赫兹波探测器包括：衬底；和附着在所述衬底上的超导材料薄膜；其中，所述超导材料薄膜为单条以曲折且紧凑的方式在所述衬底上延伸的长程线条型结构；所述超导材料薄膜在工作过程中处于其超导转变温区内并接受待探测太赫兹波的直接照射，并且通过所述超导材料薄膜吸收太赫兹波的热辐射而使电阻发生显著变化来探测所述太赫兹波。本发明的太赫兹波探测器灵敏度及信噪比高、噪声等效功率低，结构简单、稳定性好；特别适合探测低功率、束斑大的太赫兹波辐射源。

权利要求

1.一种太赫兹波探测器，用于探测来自太赫兹波辐射源的太赫兹波，所述太赫兹波探测器包括：衬底；和

附着在所述衬底上的超导材料薄膜；

其中，所述超导材料薄膜为单条以曲折且紧凑的方式在所述衬底上延伸的长程线条型结构，所述超导材料薄膜的线条宽度在1～30μm之间；所述超导材料薄膜在工作过程中处于其超导转变温区内并接受待探测太赫兹波的直接照射，并且通过所述超导材料薄膜吸收太赫兹波的热辐射而使电阻发生显著变化来探测所述太赫兹波。

2.根据权利要求1所述的太赫兹波探测器，其特征在于，所述超导材料薄膜的材料为铌。

3.根据权利要求1或2所述的太赫兹波探测器，其特征在于，所述超导材料薄膜的厚度在1～20nm之间。

4.根据权利要求1或2所述的太赫兹波探测器，其特征在于，在所述衬底的设置有超导材料薄膜的区域的至少一部分中，单位平方毫米面积上所述超导材料薄膜的线条长度大于

20mm。

5.根据权利要求1或2所述的太赫兹波探测器，其特征在于，在所述衬底的设置有超导材料薄膜的区域的至少一部分中，单位面积上超导材料薄膜所占面积大于40%。

6.根据权利要求1或2所述的太赫兹波探测器，其特征在于，还包括：低温恒温器，其容纳所述衬底和超导材料薄膜并能够提供使得所述超导材料薄膜处于超导转变温区的温度；

其中，所述低温恒温器设有窗口，待探测的太赫兹波能够穿过所述窗口直接照射到所述超导材料薄膜上。

7.根据权利要求6所述的太赫兹波探测器，其特征在于，当所述超导材料薄膜的材料为铌时，所述低温恒温器提供的温度为4～10K。

8.根据权利要求1或2所述的太赫兹波探测器，其特征在于，还包括探测电路，所述探测电路连接在所述长程线条型结构的超导材料薄膜的两端；

其中，所述探测电路向所述超导材料薄膜提供直流偏置电流使超导材料薄膜处于超导转变温区，并探测超导材料薄膜两端的电压。

9.根据权利要求8所述的太赫兹波探测器，其特征在于，当所述超导材料薄膜的材料为铌时，所述探测电路提供大小为10～200μA的直流偏置电流。

10.根据权利要求1或2所述的太赫兹波探测器，其特征在于，所述待探测的太赫兹波经调制后照射在探测器的超导材料薄膜上；所述调制频率为13～1333Hz。

说明书

一种太赫兹波探测器

技术领域

[0001] 本发明涉及太赫兹波探测技术领域，更具体地，涉及基于超导材料的太赫兹波探测器。

背景技术

[0002] 太赫兹(THz)辐射是从0.1THz到10THz(光子能量从0.41meV到41.4meV，波长从30μm到3mm)的电磁辐射，它介于红外和微波辐射之间，是光子学技术与电子学技术、宏观与微观的过渡区域。THz波段是一个非常具有科学价值但尚未开发利用的电磁辐射区域，其研究涉及物理学、光电子学及材料科学等，在成像、医学诊断、环境科学、信息、国家安全及基础物理研究领域有着广阔的应用前景和应用价值。在太赫兹波段的开发和利用中，对太赫兹信号的检测是一项非常重要的工作。与较短波长的光学波段电磁波相比，太赫兹波光子能量低，背景噪声通常占据显著地位，因此不断提高接收灵敏度则成为必然的要求。

[0003] 目前，已有利用超导材料来进行太赫兹波的探测，例如基于超导材料隧道结结构、超导材料微桥结构、超导材料偶极天线结构的探测方案。但是，这些方案结构复杂、制造成本较高。

发明内容

[0004] 本发明的一个目的在于提供一种新的基于超导材料的太赫兹波探测器。本发明的另一目的在于提供一种灵敏度及信噪比高、噪声等效功率低的太赫兹波探测器。本发明的再一目的在于提供一种结构简单、稳定性好的太赫兹波探测器。本发明的又一目的在于提供一种特别适合探测低功率、束斑大的太赫兹波辐射源的太赫兹波探测器。

[0005] 本发明是通过以下方案实现的：

[0006] 一种太赫兹波探测器，用于探测来自太赫兹波辐射源的太赫兹波，所述太赫兹波探测器包括：衬底；和附着在所述衬底上的超导材料薄膜；其中，所述超导材料薄膜为单条以曲折且紧凑的方式在所述衬底上延伸的长程线条型结构；所述超导材料薄膜在工作过程中处于其超导转变温区内并接受待探测太赫兹波的直接照射，并且通过所述超导材料薄膜吸收太赫兹波的热辐射而使电阻发生显著变化来探测所述太赫兹波。

[0007] 优选地，所述超导材料薄膜的材料为铌。

[0008] 优选地，所述超导材料薄膜的厚度在1～20nm之间。

[0009] 优选地，所述超导材料薄膜的线条宽度可以在1～30μm之间。

[0010] 在一种实施方式中，在所述衬底的设置有超导材料薄膜的区域的至少一部分中，单位平方毫米面积上所述超导材料薄膜的线条长度大于20mm。

[0011] 在一种实施方式中，在所述衬底的设置有超导材料薄膜的区域的至少一部分中，单位面积上超导材料薄膜所占面积大于40％。

[0012] 在一种实施方式中，本发明的太赫兹波探测器还包括低温恒温器，其容纳所述衬底和超导材料薄膜并能够提供使得所述超导材料薄膜处于超导转变温区的温度；其中，所述低温恒温器设有窗口，待探测的太赫兹波能够穿过所述窗口直接照射到所述超导材料薄膜上。当所述超导材料薄膜的材料为铌时，所述低温恒温器提供的温度为4～10K。

[0013] 在一种实施方式中，所述待探测的太赫兹波经调制后照射在探测器的超导材料薄膜上；所述待探测的太赫兹波的调制频率为13～1333Hz。

[0014] 在一种实施方式中，本发明的太赫兹波探测器还包括探测电路，所述探测电路连接在所述长程线条型结构的超导材料薄膜的两端；其中，所述探测电路向所述超导材料薄膜提供直流偏置电流使超导材料薄膜处于超导转变温区，并探测超导材料薄膜两端的电压。当所述超导材料薄膜的材料为铌时，所述探测电路提供大小为10～200μA的直流偏置电流。

[0015] 本发明的太赫兹波探测器采用超导材料作为太赫兹辐射的直接热吸收体，具有灵敏度及信噪比高、噪声等效功率低，结构简单、成本低，稳定性好的优点；特别适合探测低功率、束斑大的太赫兹波辐射源。

附图说明

[0016] 图1为按照本发明一个实施例的太赫兹波探测器的结构示意图。

[0017] 图2为按照本发明一个实施例的太赫兹波探测器的超导材料薄膜长程线条型结构示意图。

[0018] 图3为图2中的超导材料薄膜长程线条型结构的局部放大图。

[0019] 图4为按照本发明一个实施例的铌薄膜长程线条型结构的电阻温度曲线。

具体实施方式

[0020] 下面结合附图来详细说明本发明。

[0021] 本发明的太赫兹波探测器用于探测来自太赫兹波辐射源的太赫兹波。图1示出了本发明太赫兹波探测器的一个实施例的结构示意图。在图1中，该太赫兹波探测器包括衬底4和附着在衬底4上的超导材料薄膜3。衬底4和超导材料薄膜3可以设置在低温恒温器2中，其中，低温恒温器2用于提供足够低的温度，从而能够使得超导材料薄膜3处于其超导转变温区。在图1中，低温恒温器2设有窗口1，来自太赫兹波辐射源(未示出)的待探测太赫兹波辐射能够透过窗口1直接照射到超导材料薄膜3上。在其它实施例中，也可以采取其它的装置或者措施来向超导材料薄膜3提供低温。

[0022] 本发明的太赫兹波探测器还可以包括探测电路。在图1的实施例中，该探测电路可以包括直流电流源5和锁相放大器6，其中，直流电流源5用于向超导材料薄膜3提供直流偏置电流Ib，锁相放大器6用于探测超导材料薄膜3的输出电压信号。

[0023] 图1所示的太赫兹波探测器在工作时，用低温恒温器2使得超导材料薄膜3处于其超导转变温区，此时，超导材料薄膜3的电阻对温度的变化异常敏感。然后，直流电流源5向超导材料薄膜3通一恒定的直流偏置电流Ib，该电流Ib应小于或略小于超导材料薄膜
3的超导临界电流。这样，当来自太赫兹波辐射源的太赫兹辐射直接照射到超导材料薄膜3上时，由于太赫兹辐射的热效应，且超导材料薄膜3作为直接的热吸收体，其温度将会发生微弱变化。超导材料薄膜3的温度的微弱变化将导致其电阻发生显著变化。在通有直流偏置电流Ib的情况下，超导材料薄膜3电阻的显著变化将表现为其两端的输出电压发生显著变化，并由探测电路(例如其中的锁相放大器6)探测到该电压变化，从而达到探测太赫兹波的目的。

[0024] 图2示出了超导材料薄膜3的一个实施例的具体结构，该超导材料薄膜3为单条以曲折且紧凑的方式延伸的长程线条型结构。在该线条型超导材料薄膜3的两端设置有接线电极7和8，分别用于与直流电流源5和锁相放大器6进行连接。

[0025] 总体上讲，超导材料薄膜3的曲折且紧凑的长程线条型结构可以有效地实现对探测信号的累积和放大，从而有效提高探测灵敏度及探测效率。超导材料薄膜3的长程线条型结构，可以等效于一个串联电路，输出的电压信号正比于探测器上所加的电流和探测器上电阻的相对变化；在电流一定的情况下，电阻的相对变化越大，输出的电压信号越大。电阻的相对变化大，则意味着线条的长度要更长。所以，对于超导材料薄膜3的线条长度，在一定区域内越长越好，可以有效地实现对探测信号的累积。

[0026] 可以用衬底单位面积上超导材料薄膜3的线条长度和/或所占面积来表征其线条的密集程度。在一个实施例中，在衬底2的设置有超导材料薄膜的区域的至少一部分中，单位平方毫米面积上超导材料薄膜3的线条长度大于20mm。在一个实施例中，在衬底2的设置有超导材料薄膜的区域的至少一部分中，单位面积上超导材料薄膜3所占面积大于40％。

[0027] 超导材料薄膜3可以根据待探测的太赫兹波在探测面上形成的光斑的形状来选择相适合的曲折延伸方式，换句话说，可以根据光斑的形状来定制。在图2所示的超导材料薄膜3的这个具体实施例中，其线条呈现为周期性的曲折结构。图3是图2中虚框所示部分的放大图，其中，a为线条宽度，b为间隙宽度，c为曲折的周期长度。在一个实施例中，线条宽度a的取值范围可以在1～30μm之间，间隙宽度b的取值范围可以在1～30μm之间。

[0028] 超导材料薄膜3的厚度对于太赫兹波探测器的性能也有一定的影响。由于探测器的灵敏度表现为宏观的温度升高与电阻值随之变化，显然超导材料薄膜厚度要合适：薄膜太薄，超导转变区会增宽，甚至薄膜会不超导，不利于提高探测器的灵敏度；薄膜太厚，太赫兹辐射热不足以影响整个膜厚，导致信号太小，甚至没有信号。在一个实施例中，超导材料薄膜3的厚度优选在1～20nm之间。

[0029] 在一个实施例中，超导材料薄膜3是由超导材料铌形成。可以采用高真空镀膜工艺在衬底2上镀制一层铌膜，再通过微加工光刻手段将铌膜加工成所需的长程线条型结构。衬底2的选取没有特定要求，常规的衬底材料如硅，蓝宝石或氧化镁等均可。铌属于低温超导材料，相比于其它高温超导材料，其温度电阻曲线在超导转变温区中更陡峭，因此受热辐射而引起的电阻变化也更灵敏。而且，铌薄膜自身性质稳定不易氧化，而且硬度高不易损坏。

[0030] 在一个更具体的实施例中，选择硅为衬底2，铌薄膜为超导材料薄膜3且采用与图2相同的周期曲折结构。铌薄膜的整体尺寸为8mm＊8mm，线条宽度a为15μm，间隙宽度b为15μm，周期长度c为60μm，线条厚度为10nm。铌薄膜的线条总长度约2140mm，在硅衬底的单位平方毫米面积上铌薄膜的线条长度为33.4mm；铌薄膜的面积为衬底面积的二分之一。这样形成的铌薄膜电阻温度曲线如图4所示，表明温度低于6.42K时，该铌薄膜处于超导态。且从图可以看出该铌薄膜的转变温区窄，有利于得到灵敏度高的太赫兹波探测器。
在本实施例中，所用低温恒温器2为Cryomech公司的PT407型脉冲管制冷机；所用太赫兹波辐射源为美国emcore公司生产的连续太赫兹光谱PB7100系统；用于调制太赫兹波的锁相放大器(未示出)以及探测铌薄膜输出电压所用的锁相放大器6为日本NF公司生产的Li5640型锁相放大器；所用直流电流源5为Keithley2400电流源表。在本实施例中，低温恒温器提供的温度为4～10K；直流电流源提供大小为10～200μA的直流偏置电流。待探测的太赫兹波经锁相放大器(未示出)调制后入射到太赫兹波探测器中，其调制频率为
13～1333Hz。经实验测定，这样形成的铌薄膜太赫兹波探测器的优选工作条件为：恒温状态T＝6.405K，直流偏置电流Ib＝100μA，调制频率为83Hz。在该优选工作条件及其附近条件下，该铌薄膜太赫兹波探测器的响应度可以达到56V/W，信噪比可以达到48dB，噪声等-15 1/2
效功率可以达到8.3＊10 W/Hz ，体现出了优异的性能。

[0031] 本领域技术人员应当理解，本发明的实施例仅用于解释本发明而非用于对其作出任何限制。凡在本发明的精神内做出的改变，均在本发明的保护范围之内。