專利名稱：脈沖太赫茲輻射源輸出波束場形的測量裝置及方法
技術領域：
本發明屬于太赫茲應用技術領域，涉及一種脈沖太赫茲輻射源輸出波束場形的測
量裝置及方法。
背景技術：
近年來，隨著新型太赫茲(terahertz, I THz=IO12 Hz)福射源和探測器的出現，THz技術發展迅速，尤其在THz成像與通信領域。然而，在上述領域中，要實現高速通信和快速成像，均需要用到脈沖THz輻射源和探測器。目前產生脈沖THz輻射的器件主要有THz量子級聯激光器(quantum-cascade laser, THz QCL)、GaAs發射天線、差頻THz福射源以及自由電子激光器等；在探測器方面，具有快速響應特性(時間常數在PS量級)的器 件主要有THz量子講探測器(quantum-well photodetector, THz QWP)、熱電子測熱福射計(hot-electron bolometer,HEB)等。在2_7THz頻段,THz QWP是最為重要的一種快速探測器，自2004年首次被研制成功以來，其性能獲得了較大的提高，目前器件的電流響應率在
0.5A/W左右，工作溫度最高可達25K以上。根據早期對中紅外波段量子阱探測器快速響應特性的研究表明，這種類型的探測器的響應速度在GHz量級，適合于高速通信和快速成像等應用。眾所周知，脈沖太赫茲輻射源通常具有比連續輻射源更高的功率輸出(峰值功率)，尤其是在需要低溫工作環境的太赫茲輻射源中。由于缺乏快速的探測器，目前對THz頻段脈沖輻射功率的測量通常是采用響應速度相對較快(相對于熱探測器)的低溫bolometer或者輻射能量計等，通過探測器接收到的能量以及驅動電源的脈沖寬度，計算得到THz脈沖輻射的峰值功率。對于峰值功率的獲得來說，上述測量方法存在較大誤差。而采用具有快速響應特性的THz QffP探測器來測量則可以很直觀地獲得脈沖THz輻射的功率，并通過測量不同二維位置點的功率強度很容易地獲得輸出波束的場形分布。脈沖THz輻射波束功率及場形分布的測量可提高脈沖THz輻射源的應用優勢，為開發基于脈沖THz輻射源的應用技術奠定基礎。

發明內容
鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種脈沖太赫茲輻射源輸出波束場形的測量裝置及方法，用于直觀地測量得到脈沖太赫茲輻射源輸出波束場形的二維分布情況。為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種脈沖太赫茲輻射源輸出波束場形的測量裝置及方法。一種脈沖太赫茲輻射源輸出波束場形的測量裝置，所述脈沖太赫茲輻射源輸出波束場形的測量裝置至少包括脈沖太赫茲輻射源，用以輻射出脈沖太赫茲輻射；安裝于一低溫恒溫器中的太赫茲量子阱探測器，用以探測所述脈沖太赫茲輻射，并產生相應的脈沖電流信號；二維平移臺，用以實現太赫茲量子阱探測器及低溫恒溫器的二維移動；所述低溫恒溫器安裝于二維平移臺上；信號處理電路，與所述太赫茲量子阱探測器連接，用以將所述脈沖電流信號提取為脈沖電壓信號，并進行放大，輸出電信號；示波器，與信號處理電路相連，用以顯示放大后的電信號。優選地，所述脈沖太赫茲輻射源輸出波束的頻率為2. 89飛.82THz之間的一個頻段或頻點。優選地，所述脈沖太赫茲輻射源為脈沖激射型太赫茲量子級聯激光器，其輸出太赫茲輻射的頻率為3. 9THz，輸出脈沖寬度為5 μ S，器件工作偏壓為13. 5V，工作溫度為10Κ。優選地，所述低溫恒溫器為最低工作溫度達2. 788Κ的連續流液氦杜瓦。優選地，所述太赫茲量子阱探測器為低維半導體光電探測器，其峰值探測頻率為
3.22ΤΗζ，其可探測頻段為2. 89 6. 82ΤΗζ，其有源區為通過在半絕緣GaAs襯底上交替生長GaAs層和AlGaAs層的方式形成。優選地，所述太赫茲量子阱探測器(Β2)的尺寸為O. 8X0. 8_2，器件工作溫度為
4.087Κ，外加偏壓為30. 5mV，其在3. 9THz頻率處的響應幅度為峰值響應幅度的75%。優選地，所述二維平移臺為手動和電驅動兩用二維平移臺。優選地，所述信號處理電路為兩級放大、放大倍數為1500倍且電路帶寬為IMHz的基于PCB開發板技術的數字電路。優選地，所述示波器為數字示波器。優選地，所述太赫茲量子阱探測器設置于距脈沖太赫茲輻射源波束輸出端面預設的距離范圍內。一種利用脈沖太赫茲輻射源輸出波束場形的測量裝置實現的脈沖太赫茲輻射源輸出波束場形的測量方法，所述測量方法包括以下步驟SI，脈沖太赫茲輻射源輻射出脈沖太赫茲輻射；S2，安裝于一低溫恒溫器中的太赫茲量子阱探測器探測所述脈沖太赫茲輻射，并產生相應的脈沖電流信號；S3，所述低溫恒溫器安裝于二維平移臺上；所述二維平移臺實現太赫茲量子阱探測器及低溫恒溫器的二維移動；
S4，與所述太赫茲量子阱探測器連接的信號處理電路將所述脈沖電流信號提取為脈沖電壓信號，并進行放大，輸出電壓信號；S5,與信號處理電路相連的不波器顯不放大后的電壓信號；S6，通過移動二維平移臺獲得不同二維位置點處脈沖太赫茲輻射強度所對應的電壓信號，通過分析不同二維位置點處的電壓信號以及太赫茲量子阱探測器與脈沖太赫茲輻射源出射端面的距離，獲得脈沖太赫茲輻射源輸出波束場形的二維強度分布圖。優選地，在所述步驟SI前還包括預設步驟SO :將內置有太赫茲量子阱探測器的低溫恒溫器安裝于二維平移臺上，并根據對脈沖太赫茲輻射源的輸出波束特性，將所述太赫茲量子阱探測器、低溫恒溫器和二維平移臺放置于距脈沖太赫茲輻射源波束輸出端面一定距離的范圍內。
如上所述，本發明的脈沖太赫茲輻射源輸出波束場形的測量裝置及方法，具有以下有益效果I)本發明采用具有快速響應特性的太赫茲量子阱探測器作為脈沖太赫茲輻射的探測裝置，可直接得到脈沖太赫茲輻射源輸出波束在空間某點的功率，進而得到其二維強度分布。2)本發明裝置采用的單個太赫茲量子阱探測器尺寸小Γθ.6_2)，可有效提高脈沖太赫茲波束場形分布測量結果的精度。3)本發明采用自主研制的針對太赫茲量子阱探測器的信號處理電路，克服了目前商業的通用電路中難以針對小偏壓(幾十毫伏)探測器進行信號處理的問題。


圖I顯示為本發明所述的脈沖太赫茲輻射源輸出波束場形的測量裝置的結構示意圖。圖2顯示為脈沖激射型太赫茲量子級聯激光器發射譜與太赫茲量子阱探測器光響應譜對比圖。圖3顯示為通過本發明所述的測量裝置得到的脈沖太赫茲輻射源輸出波束場形的二維強度分布圖像。元件標號說明Al 脈沖太赫茲輻射源；Α2 脈沖太赫茲輻射；BI 低溫恒溫器；Β2 太赫茲量子阱探測器；Β3 二維平移臺；Β4 信號處理電路；Β5 示波器。
具體實施例方式以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。請參閱附圖。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為復雜。
下面結合實施例和附圖對本發明進行詳細說明。實施例一本發明提供一種脈沖太赫茲輻射源輸出波束場形的測量裝置，如圖I所示，所述測量裝置至少包括脈沖太赫茲輻射源Al、低溫恒溫器BI、安裝于低溫恒溫器BI中的太赫茲量子阱探測器B2、二維平移臺B3、信號處理電路B4和示波器B5。所述脈沖太赫茲輻射源Al用以輻射出脈沖太赫茲輻射A2 ;所述太赫茲量子阱探測器B2安裝于低溫恒溫器BI中，用以探測所述脈沖太赫茲輻射A2，并產生相應的脈沖電流信號；所述二維平移臺B3用以實現太赫茲量子阱探測器B2及低溫恒溫器BI的二維(X方向和Y方向)移動；所述信號處理電路B4與所述太赫茲量子阱探測器B2連接，用以將所述脈沖電流信號提取為脈沖電壓信號，并進行放大；所述示波器B5用以顯示經信號處理電路放大后的脈沖電壓信號。所述低溫恒溫器BI安裝于二維平移臺B3上，根據對脈沖太赫茲輻射源Al輸出波束特性的分析結果，將所述太赫茲量子阱探測器B2及低溫恒溫器BI和二維平移臺B3放置于距脈沖太赫茲輻射源Al波束輸出端面一定的距離范圍內；所述太赫茲量子阱探測器B2對所述脈沖太赫茲輻射A2響應后產生相應的脈沖電流信號；所述信號處理電路B4將所述脈沖電流信號提取為脈沖電壓信號，并將所述脈沖電壓信號放大后輸入示波器B5中進行 讀取和顯示；通過移動二維平移臺B3可以獲得不同二維位置點處脈沖太赫茲輻射強度所對應的電壓信號，通過分析不同二維位置點處的電壓信號以及太赫茲量子阱探測器B2與脈沖太赫茲輻射源Al的距離，可以獲得脈沖太赫茲輻射源輸出波束場形的二維強度分布圖。下面對脈沖太赫茲輻射源輸出波束場形的測量裝置中的各個器件分別進行詳細描述。脈沖太赫茲輻射源Al脈沖太赫茲輻射源Al用以輻射出脈沖太赫茲輻射A2。作為本實施例的一種優選方案，所述脈沖太赫茲輻射源Al為脈沖激射型太赫茲量子級聯激光器，其輸出太赫茲輻射的頻率為3. 9THz，輸出脈沖寬度為5 μ S，器件工作偏壓為13. 5V，工作溫度為10Κ。所述脈沖太赫茲輻射源Al輸出波束的頻率可以為2. 89 6. 82ΤΗζ之間的一個頻段或頻點。低溫恒溫器BI作為本實施例的一種優選方案，所述低溫恒溫器BI為連續流液氦杜瓦，最低工作溫度可達2. 788Κ。太赫茲量子阱探測器Β2所述太赫茲量子阱探測器Β2安裝于低溫恒溫器BI中，用以探測脈沖太赫茲輻射Α2,并產生相應的脈沖電流信號。作為本實施例的一種優選方案，所述太赫茲量子阱探測器Β2可以為低維半導體光電探測器，其峰值探測頻率為3. 22ΤΗζ，其可探測頻段為2. 89 6. 82ΤΗζ，其有源區為通過在半絕緣GaAs襯底上交替生長GaAs層和AlGaAs層的方式形成。所述太赫茲量子阱探測器Β2的尺寸為O. 8X0. 8mm2，器件工作溫度為4. 087K，外加偏壓為30. 5mV，其在3. 9THz頻率處的響應幅度為峰值(3. 22THz)響應幅度的75%。如圖2所示，其為脈沖太赫茲量子級聯激光器(脈沖太赫茲輻射源Al)發射譜與太赫茲量子阱探測器B2光響應譜的對比圖。二維平移臺B3所述二維平移臺B3用以實現探測器及其低溫恒溫器的二維(X方向和Y方向)移動。作為本實施例的一種優選方案，所述二維平移臺B3可以為手動和電驅動兩用二維平移臺，X方向和Y方向的行程均為IOOmm,移動精度為O. Imm,最大承重為10kg。信號處理電路B4所述信號處理電路B4與所述太赫茲量子阱探測器B2連接，用以將所述脈沖電流信號提取為脈沖電壓信號，并進行放大，輸出電壓信號。所述信號處理電路B4可以采用基于PCB開發板技術的數字電路。作為本實施例的一種優選方案，所述信號處理電路B4為自制電路，采用兩級放大方式，放大倍數為1500倍，電路帶寬為IMHz。示波器B5所述示波器B5用以顯示經信號處理電路B4放大后的電壓信號。所述示波器B5可以采用數字示波器。作為本實施例的一種優選方案，所述示波器為數字示波器，包括4個可測量通道；所述示波器的測量帶寬為500MHz，采樣速率為4Gsa/s，存儲深度為8Mpts。本發明所述的脈沖太赫茲輻射源輸出波束場形的測量裝置可用于測量脈沖太赫茲輻射源輸出波束截面的二維分布，其采用了具有快速響應特性的太赫茲量子阱探測器作為探測裝置，可直接得到脈沖太赫茲輻射源輸出波束在空間某點的功率，進而得到其二維強度分布。實施例二配合參閱圖1，本實施例提供實施例一所述的脈沖太赫茲輻射輸出波束場形的測量裝置的一種波束場形的測量方法，所述方法至少包括以下步驟步驟一，將內置有太赫茲量子阱探測器B2的低溫恒溫器BI安裝于二維平移臺B3上，根據對脈沖太赫茲輻射源(具體為脈沖激射型太赫茲量子級聯激光器)Al輸出波束特性的分析結果，將所述太赫茲量子阱探測器B2及其低溫恒溫器BI和二維平移臺B3放置于距脈沖太赫茲輻射源Al波束輸出端面一定的距離(即預設的距離)范圍內(即太赫茲量子級聯激光器Al出射端面的輻射范圍內)。作為本實施例中的一種優選方案，所述預設的距離范圍為太赫茲量子阱探測器B2及其低溫恒溫器BI放置于距太赫茲量子級聯激光器Al出射端面60mm的位置。步驟二，所述低溫恒溫器BI中的太赫茲量子阱探測器B2對脈沖太赫茲輻射源Al(太赫茲量子級聯激光器)出射的脈沖太赫茲輻射A2進行響應，得到脈沖寬度相同的電流信號；所述信號處理電路B4將所述脈沖電流信號提取為脈沖電壓信號，并將所述脈沖電壓信號放大后輸入示波器B5中進行讀取和顯示。本步驟的詳細實現過程為SI，脈沖太赫茲輻射源Al輻射出脈沖太赫茲輻射A2 ；S2，安裝于一低溫恒溫器BI中的太赫茲量子阱探測器B2探測所述脈沖太赫茲輻射A2,并產生相應的脈沖電流信號；S3，所述低溫恒溫器BI安裝于二維平移臺B3上；所述二維平移臺B3實現太赫茲量子阱探測器B2及低溫恒溫器BI的二維移動；S4，與所述太赫茲量子阱探測器B2連接的信號處理電路B4將所述脈沖電流信號提取為脈沖電壓信號，并進行放大，輸出電壓信號；S5,與信號處理電路B4相連的不波器B5顯不放大后的電壓信號；作為本實施例中的一種優選方案，脈沖太赫茲輻射的脈沖寬度為5 μ S，信號處理電路的放大倍數為1500倍。步驟三，通過移動二維平移臺B3，獲得不同二維位置點處脈沖太赫茲輻射強度所對應的電壓信號，通過分析不同二維位置點處的電壓信號以及太赫茲量子阱探測器B2與太赫茲量子級聯激光器Al出射端面的距離，獲得脈沖太赫茲輻射源Al (太赫茲量子級聯激光器)輸出波束場形的二維強度分布圖。作為本實施例中的一種優選方案，二維平移過程在X方向和Y方向的移動距離均為24mm，采樣間距為2mm，共得到13X 13=169個數據點。圖3顯示為采用太赫茲量子阱探測器B2測量得到的脈沖太赫茲輻射源Al (脈沖激射型太赫茲量子級聯激光器)輸出波束場形的二維強度分布圖像。根據圖3測量結果及探測器二維移動平面與激光器出射端面的距離計算可得到，該太赫茲量子級聯激光器輸出波束的發散角在X和Y方向分別為10°和18°。本發明采用了具有快速響應特性的太赫茲量子阱探測器作為脈沖太赫茲輻射的探測裝置，可直接得到距離輻射源輸出端面一定距離范圍內的脈沖太赫茲輻射波束在空間 某點的功率，進而得到其二維強度分布；且本發明采用的單個太赫茲量子阱探測器尺寸小Γ0. 6mm2)，可有效提高脈沖太赫茲波束場形分布測量結果的精度；另外，本發明采用自主研制的針對太赫茲量子阱探測器的信號處理電路，克服了目前商業的通用電路中難以針對小偏壓(幾十毫伏)探測器進行信號處理的問題。綜上所述，本發明有效克服了現有技術中的種種缺點而具高度產業利用價值。上述實施例僅例示性說明本發明的原理及其功效，而非用于限制本發明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發明的權利要求所涵蓋。
權利要求
1.一種脈沖太赫茲輻射源輸出波束場形的測量裝置，其特征在于，所述脈沖太赫茲輻射源輸出波束場形的測量裝置至少包括 脈沖太赫茲福射源(Al),用以福射出脈沖太赫茲福射(A2)； 安裝于一低溫恒溫器(BI)中的太赫茲量子阱探測器(B2)，用以探測所述脈沖太赫茲輻射(A2)，并產生相應的脈沖電流信號； 二維平移臺(B3)，用以實現太赫茲量子阱探測器(B2)及低溫恒溫器(BI)的二維移動；所述低溫恒溫器(BI)安裝于二維平移臺(B3)上； 信號處理電路(B4)，與所述太赫茲量子阱探測器(B2)連接，用以將所述脈沖電流信號提取為脈沖電壓信號，并進行放大，輸出電信號； 不波器(B5 ),與信號處理電路(B4 )相連,用以顯不放大后的電信號。
2.根據權利要求I所述的脈沖太赫茲輻射源輸出波束場形的測量裝置，其特征在于所述脈沖太赫茲輻射源(Al)輸出波束的頻率為2. 89飛.82THz之間的一個頻段或頻點。
3.根據權利要求I所述的脈沖太赫茲輻射源輸出波束場形的測量裝置，其特征在于所述脈沖太赫茲輻射源(Al)為脈沖激射型太赫茲量子級聯激光器，其輸出太赫茲輻射的頻率為3. 9THz，輸出脈沖寬度為S，器件工作偏壓為13. 5V，工作溫度為10K。
4.根據權利要求I所述的脈沖太赫茲輻射源輸出波束場形的測量裝置，其特征在于所述低溫恒溫器(BI)為最低工作溫度達2. 788K的連續流液氦杜瓦。
5.根據權利要求I所述的脈沖太赫茲輻射源輸出波束場形的測量裝置，其特征在于所述太赫茲量子阱探測器(B2)為低維半導體光電探測器，其峰值探測頻率為3. 22THz，其可探測頻段為2. 89 6. 82THz，其有源區為通過在半絕緣GaAs襯底上交替生長GaAs層和AlGaAs層的方式形成。
6.根據權利要求I所述的脈沖太赫茲輻射源輸出波束場形的測量裝置，其特征在于所述太赫茲量子阱探測器(B2)的尺寸為0. 8X0. 8mm2，器件工作溫度為4. 087K，外加偏壓為30. 5mV，其在3. 9THz頻率處的響應幅度為峰值響應幅度的75%。
7.根據權利要求I所述的脈沖太赫茲輻射源輸出波束場形的測量裝置，其特征在于所述二維平移臺(B3)為手動和電驅動兩用二維平移臺。
8.根據權利要求I所述的脈沖太赫茲輻射源輸出波束場形的測量裝置，其特征在于所述信號處理電路(B4)為兩級放大、放大倍數為1500倍且電路帶寬為IMHz的基于PCB開發板技術的數字電路。
9.根據權利要求I所述的脈沖太赫茲輻射源輸出波束場形的測量裝置，其特征在于所述示波器(B5)為數字示波器。
10.根據權利要求I所述的脈沖太赫茲輻射源輸出波束場形的測量裝置，其特征在于所述太赫茲量子阱探測器(B2)設置于距脈沖太赫茲輻射源(Al)波束輸出端面預設的距離范圍內。
11.一種利用權利要求I所述的脈沖太赫茲輻射源輸出波束場形的測量裝置實現的脈沖太赫茲輻射源輸出波束場形的測量方法，其特征在于，所述測量方法包括以下步驟 SI，脈沖太赫茲輻射源(Al)輻射出脈沖太赫茲輻射(A2)； S2，安裝于一低溫恒溫器(BI)中的太赫茲量子阱探測器(B2)探測所述脈沖太赫茲輻射(A2),并產生相應的脈沖電流信號；S3，所述低溫恒溫器(BI)安裝于二維平移臺(B3)上；所述二維平移臺(B3)實現太赫茲量子阱探測器(B2)及低溫恒溫器(BI)的二維移動； S4，與所述太赫茲量子阱探測器(B2)連接的信號處理電路(B4)將所述脈沖電流信號提取為脈沖電壓信號，并進行放大，輸出電壓信號； S5,與信號處理電路(B4)相連的不波器(B5)顯不放大后的電壓信號； S6，通過移動二維平移臺(B3)獲得不同二維位置點處脈沖太赫茲輻射(A2)強度所對應的電壓信號，通過分析不同二維位置點處的電壓信號以及太赫茲量子阱探測器(B2)與脈沖太赫茲輻射源(Al)出射端面的距離，獲得脈沖太赫茲輻射源(Al)輸出波束場形的二維 強度分布圖。
12.根據權利要求11所述的脈沖太赫茲輻射源輸出波束場形的測量方法，其特征在于，在所述步驟SI前還包括預設步驟SO:將內置有太赫茲量子阱探測器(B2)的低溫恒溫器(BI)安裝于二維平移臺(B3)上，并根據對脈沖太赫茲輻射源(Al)的輸出波束特性，將所述太赫茲量子阱探測器(B2)、低溫恒溫器(BI)和二維平移臺(B3)放置于距脈沖太赫茲輻射源(Al)波束輸出端面一定距離的范圍內。
全文摘要
本發明公開了一種脈沖太赫茲輻射源輸出波束場形的測量裝置及方法，該裝置包括脈沖太赫茲輻射源，用以輻射出脈沖太赫茲輻射；安裝于一低溫恒溫器中的太赫茲量子阱探測器，用以探測脈沖太赫茲輻射，并產生相應的脈沖電流信號；二維平移臺，用以實現太赫茲量子阱探測器及低溫恒溫器的二維移動；低溫恒溫器安裝于二維平移臺上；信號處理電路，與太赫茲量子阱探測器連接，用以將脈沖電流信號提取為脈沖電壓信號，并進行放大，輸出電信號；示波器，與信號處理電路相連，用以顯示放大后的電信號。本發明可直接得到脈沖太赫茲輻射波束在空間某點的功率，進而得到其二維強度分布，且測量精度高，解決了針對小偏壓探測器進行信號處理的問題。
文檔編號G01J5/20GK102636269SQ201210153568
公開日2012年8月15日 申請日期2012年5月15日 優先權日2012年5月15日
發明者曹俊誠, 譚智勇, 陳鎮 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所