虹科分享 | 如何實(shí)現(xiàn)太赫茲波段的功率測(cè)量？

太赫茲功率的測(cè)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(dòng)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(cè)器，這個(gè)光譜區(qū)域也開(kāi)始被稱為“太赫茲間隙”。從低頻端開(kāi)始，太赫茲的鄰居——微波受益于相對(duì)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(duì)成熟的紅外技術(shù)也有非常強(qiáng)大的光源和靈敏的探測(cè)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(yùn)行的基本原理。一方面，經(jīng)典的微波產(chǎn)生和檢測(cè)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(yùn)行，因?yàn)榇祟愒O(shè)備中的載波傳輸時(shí)間只能以犧牲其物理尺寸為代價(jià)來(lái)縮短，這反過(guò)來(lái)又意味著它們可以處理的功率會(huì)降低。另一方面，光學(xué)技術(shù)在較長(zhǎng)波長(zhǎng)下會(huì)變得嘈雜，因?yàn)樗婕暗墓庾幽芰吭谑覝叵陆咏Ｗ拥臒崮堋?/strong>因此，本來(lái)可以用于光電探測(cè)的量子系統(tǒng)會(huì)不斷地被周圍環(huán)境激發(fā)，而不僅僅是被要測(cè)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(cè)量和輻射測(cè)量設(shè)備尚不存在，唯一可用的強(qiáng)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(duì)稀有。而在過(guò)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(cè)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(wú)損檢測(cè)。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(jí)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(gè)問(wèn)題是進(jìn)行可靠和可追溯的功率測(cè)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(shí)際物理單位表示。這樣做的原因是，使用廣泛接受的測(cè)量方法意味著使用校準(zhǔn)良好的儀器，這些儀器對(duì)于太赫茲的測(cè)量而言通常不可用，此外需要相對(duì)嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的測(cè)量不確定性分析，同時(shí)考慮到所有統(tǒng)計(jì)和系統(tǒng)誤差貢獻(xiàn) ，導(dǎo)致無(wú)法得到公平比較的設(shè)備（例如發(fā)射器和檢測(cè)器）性能報(bào)告。

圖3 太赫茲功率計(jì)

中心任務(wù)——測(cè)量可追溯到國(guó)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(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究所（PTB)太赫茲輻射測(cè)量組活動(dòng)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(cè)器的光譜響應(yīng)度。這些測(cè)量的最低不確定性是通過(guò)遠(yuǎn)紅外分子氣體激光器實(shí)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(cè)量的各類探測(cè)器技術(shù)也相繼出現(xiàn)。

用于低頻太赫茲的波導(dǎo)探測(cè)器

同軸和空心金屬波導(dǎo)中的射頻 (RF) 功率測(cè)量已得到很好的建立，有源設(shè)備的輸出功率是通過(guò)將經(jīng)過(guò)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(lái)直接測(cè)量的。國(guó)際單位制的可追溯性是通過(guò)直流（DC）功率替代來(lái)實(shí)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(jì)。量熱計(jì)通過(guò)量熱體來(lái)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(huì)使量熱體的溫度上升，通過(guò)檢測(cè)其溫差熱電勢(shì)來(lái)得到入射太赫茲的功率，是目前使用比較廣泛的一種測(cè)量方法。圖4?量熱計(jì)模型這種方法功率測(cè)量的不確定性主要來(lái)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(shí)的測(cè)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(shí)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(duì)比實(shí)驗(yàn)中，已證實(shí)在 WR-10 頻段（75 GHz–110 GHz）中，波導(dǎo)內(nèi)部測(cè)量的功率等于使用光學(xué)校準(zhǔn)探測(cè)器在1.4T校準(zhǔn)的熱釋電薄膜探測(cè)器測(cè)量的天線輻射到自由空間的功率。目前，將功率等級(jí)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(cè)器——熱釋電

自由空間探測(cè)器中，熱釋電探測(cè)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(shí)，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(duì)于中心的位置會(huì)產(chǎn)生偏移，此時(shí)為了保持材料內(nèi)部電中性，材料表面就會(huì)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(hào)形式。需要注意的是，恒定的入射輻射會(huì)是探測(cè)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(cè)器要求變化的輸入輻射，即需要對(duì)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(guò)斬波器調(diào)制成方波脈沖信號(hào)后，就能通過(guò)熱釋電探測(cè)器和后端讀出電路測(cè)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(cè)機(jī)理，這種比例關(guān)系方便于探測(cè)器對(duì)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(cè)器中通常會(huì)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(huì)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(shì)。

圖7熱釋電探測(cè)器頻率響應(yīng)趨勢(shì)

近期，針對(duì)熱釋電探測(cè)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(cè)器的均勻性限制，PTB與激光功率計(jì)制造商一起開(kāi)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(cè)器。新穎之處在于兩個(gè)表面上都有一種特殊的金屬涂層，可用作熱釋電信號(hào)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(guò)這種方式，兩個(gè)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(wú)關(guān)吸光度，特別是對(duì)于較低的亞太赫茲頻率。

最近，這種熱釋電薄膜探測(cè)器被用于國(guó)際試點(diǎn)比較，以測(cè)量太赫茲光譜范圍內(nèi)的輻射功率。該對(duì)比實(shí)驗(yàn)由PTB以新的方式組織，涉及使用中國(guó)、美國(guó)和德國(guó)國(guó)家計(jì)量機(jī)構(gòu)提供的設(shè)備對(duì)兩條激光線（2.52 THz和0.762 THz）進(jìn)行的測(cè)量進(jìn)行比較。測(cè)量結(jié)果顯示，三個(gè)參與國(guó)所陳述的不確定性之間達(dá)成了良好的一致意見(jiàn)，不過(guò)距離完全商用還需要更多的研究和時(shí)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(cè)量設(shè)備的能力外，太赫茲光譜區(qū)域的功率測(cè)量將在未來(lái)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(cè)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(duì)性能沒(méi)有影響?；贏R涂層硅透鏡、預(yù)對(duì)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：?jiǎn)蝹鞲衅?、?zhǔn)直輸入或具有50mm工作距離的聚焦輸入。

作為一款入門(mén)級(jí)的太赫茲功率計(jì)，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(kāi)關(guān)，可實(shí)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(cè)器的響應(yīng)度，這會(huì)在響應(yīng)時(shí)間內(nèi)獲得更快的測(cè)量，其探測(cè)速率最快可達(dá)2.5KHz，滿足不同探測(cè)應(yīng)用的需求。

每個(gè)傳感器都會(huì)使用德國(guó)計(jì)量所（PTB）的標(biāo)準(zhǔn)太赫茲功率計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，從而保證出廠的太赫茲熱釋電傳感器測(cè)量功率的數(shù)值準(zhǔn)確性和可靠性。