太赫茲功率的測量需求

到20世紀(jì)80年代末，鈦藍(lán)寶石激光器的出現(xiàn)以及其他技術(shù)的發(fā)展推動了輻射研究進(jìn)入電磁波譜的遠(yuǎn)紅外或太赫茲（THz）波段。在早期，由于缺乏太赫茲源和探測器，這個光譜區(qū)域也開始被稱為“太赫茲間隙”。從低頻端開始，太赫茲的鄰居——微波受益于相對成熟的電子技術(shù)的使用，該技術(shù)在二十世紀(jì)取得了巨大的進(jìn)步。而在高頻端，相對成熟的紅外技術(shù)也有非常強大的光源和靈敏的探測器。

圖1 太赫茲波在電磁頻譜中的位置

這種應(yīng)用差距的原因源于微波和光學(xué)技術(shù)運行的基本原理。一方面，經(jīng)典的微波產(chǎn)生和檢測基于直接電子振蕩或在半導(dǎo)體器件中利用非線性。這些設(shè)備難以在高于100 GHz 的頻率下運行，因為此類設(shè)備中的載波傳輸時間只能以犧牲其物理尺寸為代價來縮短，這反過來又意味著它們可以處理的功率會降低。另一方面，光學(xué)技術(shù)在較長波長下會變得嘈雜，因為所涉及的光子能量在室溫下接近粒子的熱能。因此，本來可以用于光電探測的量子系統(tǒng)會不斷地被周圍環(huán)境激發(fā)，而不僅僅是被要測量的輻射所激發(fā)。三十年前，太赫茲研究領(lǐng)域還處于起步階段。用于太赫茲頻率的敏感光度測量和輻射測量設(shè)備尚不存在，唯一可用的強大單色光源——酒精蒸汽激光器難以操作和維護(hù)，因此太赫茲源相對稀有。而在過去的三十年里，太赫茲技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步，并出現(xiàn)了許多有趣的應(yīng)用。太赫茲輻射現(xiàn)在既可用于探測新型材料中的基本相互作用，也可用于工業(yè)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)和文化遺產(chǎn)等多種用途的無損檢測。至關(guān)重要的是，單色、可調(diào)諧和寬帶太赫茲源的輸出功率和種類數(shù)量已大大增加。

圖2 基于倍頻器與量子級聯(lián)激光器原理的太赫茲源

在太赫茲研究中經(jīng)常遇到的一個問題是進(jìn)行可靠和可追溯的功率測量的能力。在許多情況下，功率水平要么以任意單位表示，要么以從在許多情況下未正確校準(zhǔn)的設(shè)備獲得的實際物理單位表示。這樣做的原因是，使用廣泛接受的測量方法意味著使用校準(zhǔn)良好的儀器，這些儀器對于太赫茲的測量而言通常不可用，此外需要相對嚴(yán)格的實驗設(shè)計和系統(tǒng)的測量不確定性分析，同時考慮到所有統(tǒng)計和系統(tǒng)誤差貢獻(xiàn) ，導(dǎo)致無法得到公平比較的設(shè)備（例如發(fā)射器和檢測器）性能報告。

圖3 太赫茲功率計

中心任務(wù)——測量可追溯到國際單位制 (SI) 的太赫茲光譜范圍內(nèi)的輻射功率，一直是德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究所（PTB)太赫茲輻射測量組活動的核心。PTB 最重要的貢獻(xiàn)之一是校準(zhǔn)了從 700 GHz - 5 THz的太赫茲探測器的光譜響應(yīng)度。這些測量的最低不確定性是通過遠(yuǎn)紅外分子氣體激光器實現(xiàn)的，該激光器由頻率穩(wěn)定的 CO2 激光器光學(xué)泵浦，并從分子氣體的旋轉(zhuǎn)躍遷中發(fā)射出可調(diào)諧的單色輻射。現(xiàn)階段，隨著技術(shù)的發(fā)展，用于太赫茲功率測量的各類探測器技術(shù)也相繼出現(xiàn)。

用于低頻太赫茲的波導(dǎo)探測器

同軸和空心金屬波導(dǎo)中的射頻 (RF) 功率測量已得到很好的建立，有源設(shè)備的輸出功率是通過將經(jīng)過校準(zhǔn)、匹配良好的功率傳感器連接到其標(biāo)準(zhǔn)化輸出連接器或法蘭來直接測量的。國際單位制的可追溯性是通過直流（DC）功率替代來實現(xiàn)的。這種方法使用了不同的傳感器類型，例如熱敏電阻功率傳感器、熱電功率傳感器和波導(dǎo)干式量熱計。量熱計通過量熱體來吸收感應(yīng)太赫茲的電磁能量，從而轉(zhuǎn)化為熱能，吸收的熱量會使量熱體的溫度上升，通過檢測其溫差熱電勢來得到入射太赫茲的功率，是目前使用比較廣泛的一種測量方法。圖4?量熱計模型這種方法功率測量的不確定性主要來自于從連接器或法蘭到傳感器元件的波導(dǎo)中的射頻損耗、射頻和直流加熱之間的非理想等效性、溫度不穩(wěn)定性和功率傳感器中使用的熱電堆的非線性。考慮到所有誤差貢獻(xiàn)因素，熱敏電阻和熱電功率傳感器在100 GHz時的測量不確定度均擴(kuò)大了1%。到目前為止，這種主要的功率校準(zhǔn)在PTB時最高可達(dá)110 GHz，將校準(zhǔn)功能擴(kuò)展到上波導(dǎo)波段的工作正在進(jìn)行中。在對比實驗中，已證實在 WR-10 頻段（75 GHz–110 GHz）中，波導(dǎo)內(nèi)部測量的功率等于使用光學(xué)校準(zhǔn)探測器在1.4T校準(zhǔn)的熱釋電薄膜探測器測量的天線輻射到自由空間的功率。目前，將功率等級之間的這種聯(lián)系擴(kuò)展到更高頻率的進(jìn)一步工作正在進(jìn)行中。

自由空間探測器——熱釋電

自由空間探測器中，熱釋電探測器是最常用的類型，并且已經(jīng)成功商業(yè)化。其基本工作原理為熱釋電效應(yīng)。熱釋電效應(yīng)是一些特殊晶體自身的物理特性，只與材料本身有關(guān)。其表現(xiàn)在特殊材料在其表面溫度變化時，內(nèi)部電偶極矩發(fā)生改變，以鉭酸鋰材料為例就是 Ta5+和 Li+相對于中心的位置會產(chǎn)生偏移，此時為了保持材料內(nèi)部電中性，材料表面就會釋放出吸附的自由電荷，這種特殊材料由溫度變化而引起自由電荷轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象即稱為熱釋電效應(yīng)。

圖5 熱釋電原理
從輻射的熱輻射能量形式照射到鉭酸鋰晶體轉(zhuǎn)換為溫度的變化，接著溫度的變化由于熱釋電效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榫w表面電荷的變化，外接讀出電路后可轉(zhuǎn)化為響應(yīng)電壓的電信號形式。需要注意的是，恒定的入射輻射會是探測器面電荷密度很快中和，不能持續(xù)讀取入射輻射，因此熱釋電探測器要求變化的輸入輻射，即需要對連續(xù)入射輻射進(jìn)行調(diào)制的斬波器。將連續(xù)太赫茲輻射能量通過斬波器調(diào)制成方波脈沖信號后，就能通過熱釋電探測器和后端讀出電路測量連續(xù)太赫茲輻射能量振幅，這也是鉭酸鋰熱釋電太赫茲輻射能量探測機理，這種比例關(guān)系方便于探測器對太赫茲輻射能量標(biāo)定與分析。

圖6熱釋電的轉(zhuǎn)換關(guān)系

為了盡可能地吸收太赫茲的輻射能量，在熱釋電探測器中通常會使用黑色涂層，能夠?qū)崿F(xiàn)寬頻率范圍的太赫茲波的吸收，但是在響應(yīng)的均勻性上會有一定限制。在不同的頻段，其響應(yīng)系數(shù)存在區(qū)別。通常，響應(yīng)電壓 Vpp與頻率 f的關(guān)系在全頻段內(nèi)，Vpp隨f是先遞增，然后保持平滑，繼而保持最后遞減的趨勢。

圖7熱釋電探測器頻率響應(yīng)趨勢

近期，針對熱釋電探測器也有一些新的研究進(jìn)展。由于具有光學(xué)黑色輻射吸收器的商用太赫茲探測器的均勻性限制，PTB與激光功率計制造商一起開發(fā)了一種基于聚偏二氟乙烯（PVDF）薄膜的新型熱釋電薄膜探測器。新穎之處在于兩個表面上都有一種特殊的金屬涂層，可用作熱釋電信號的讀出電極。它們的片狀電導(dǎo)率的等效并聯(lián)電路設(shè)置為真空阻抗的一半。通過這種方式，兩個電極一起充當(dāng)半透明的金屬吸收劑，從而產(chǎn)生50%的頻率無關(guān)吸光度，特別是對于較低的亞太赫茲頻率。

最近，這種熱釋電薄膜探測器被用于國際試點比較，以測量太赫茲光譜范圍內(nèi)的輻射功率。該對比實驗由PTB以新的方式組織，涉及使用中國、美國和德國國家計量機構(gòu)提供的設(shè)備對兩條激光線（2.52 THz和0.762 THz）進(jìn)行的測量進(jìn)行比較。測量結(jié)果顯示，三個參與國所陳述的不確定性之間達(dá)成了良好的一致意見，不過距離完全商用還需要更多的研究和時間投入。

隨著這些新技術(shù)和設(shè)備的引入，除了校準(zhǔn)現(xiàn)有輻射測量設(shè)備的能力外，太赫茲光譜區(qū)域的功率測量將在未來幾年變得更加一致，這將消除文獻(xiàn)中仍然出現(xiàn)的不一致之處。

虹科太赫茲功率測量方案

虹科TeraPyro 傳感器是一款緊湊和高靈敏度的太赫茲傳感裝置。基于高質(zhì)量的黑色吸收涂層與 LiTaO3熱釋電晶體，黑色涂層的廣泛吸收范圍使得該傳感器可以在很大的光譜范圍內(nèi)使用 （從0.1到30THz），其高靈敏度和低NEP對性能沒有影響?；贏R涂層硅透鏡、預(yù)對準(zhǔn)、高質(zhì)量的太赫茲光學(xué)器件確保了最大限度的傳感器光學(xué)耦合。光學(xué)系統(tǒng)是高度模塊化的，允許三種配置：單傳感器、準(zhǔn)直輸入或具有50mm工作距離的聚焦輸入。

作為一款入門級的太赫茲功率計，虹科TeraPyro傳感器具有最佳的成本效益比。該款傳感器具有響應(yīng)靈敏度調(diào)整開關(guān)，可實現(xiàn)的靈敏度最高可達(dá)2 kV/W。也可以根據(jù)需要降低檢測器的響應(yīng)度，這會在響應(yīng)時間內(nèi)獲得更快的測量，其探測速率最快可達(dá)2.5KHz，滿足不同探測應(yīng)用的需求。

每個傳感器都會使用德國計量所（PTB）的標(biāo)準(zhǔn)太赫茲功率計進(jìn)行校準(zhǔn)，從而保證出廠的太赫茲熱釋電傳感器測量功率的數(shù)值準(zhǔn)確性和可靠性。