如何實現(xiàn)太赫茲波段的可靠功率測量？

1.背景：太赫茲功率測量需求

到20世紀80年代末，鈦藍寶石激光器的出現(xiàn)以及其他技術(shù)發(fā)展推動了輻射研究進入電磁波譜的遠紅外或太赫茲（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)在二十世紀取得了巨大的進步。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。因此，太赫茲源相對稀有。然而，在過去的三十年里，太赫茲技術(shù)取得了巨大的進步，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、生物學和文化遺產(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。

在太赫茲研究中經(jīng)常遇到的一個問題是進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良好的儀器，這些儀器通常不可用，并且需要相對嚴格的實驗設(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，導致無法公平比較的設(shè)備（例如發(fā)射器和檢測器）性能報告。

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最重要的貢獻之一是校準了從 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。

校準服務(wù)已被提議作為解決全球許多太赫茲實驗室缺乏可靠的預(yù)校準現(xiàn)成測量系統(tǒng)的潛在解決方案。這是一種提高可靠性和比較來自不同實驗室的測量結(jié)果的能力的策略，這在當今仍然是一個問題。這有兩個原因：首先，專門針對太赫茲輻射校準儀器并不是一種常見的做法，其次，為該頻段提供校準服務(wù)的能力仍然局限于全球極少數(shù)地方。

2.用于 “低”頻率的波導探測器

同軸和空心金屬波導中的射頻 (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、匹配良好的功率傳感器連接到其標準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干式量熱計。

圖 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大了1%。到目前為止，這種主要的功率校準在PTB時最高可達110 GHz，將校準功能擴展到上波導波段的工作正在進行中。在對比實驗中，已證實在 WR-10頻段（75?GHz–110?GHz）中，波導內(nèi)部測量的功率等于使用光學校準探測器在1.4T校準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)系擴展到更高頻率的進一步工作正在進行中。

3.自由空間探測器——熱釋電原理

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 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定與分析。

圖 熱釋電的轉(zhuǎn)化關(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是先遞增繼而保持最后遞減的趨勢。

圖 熱釋電探測器頻率響應(yīng)趨勢圖

近期，針對熱釋電探測器也有一些新的研究進展。由于具有光學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）進行的測量進行比較。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。

4.虹科太赫茲功率測量方案——TeraPyro傳感器

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、高質(zhì)量的太赫茲光學器件確保了最大限度的傳感器光學耦合。光學系統(tǒng)是高度模塊化的，允許三種配置：單傳感器、準直輸入或具有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）的標準太赫茲功率計進行校準，從而保證出廠的太赫茲熱釋電傳感器測量功率的數(shù)值準確性和可靠性。

審核編輯：湯梓紅