一種太赫茲量子阱探測器絕對響應(yīng)率的標(biāo)定方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種太赫茲量子阱探測器絕對響應(yīng)率的標(biāo)定方法及裝置，所述裝置至少包括：驅(qū)動(dòng)電源、單頻激光源、光學(xué)鏡、太赫茲陣列探測器、太赫茲功率計(jì)、電流放大器及示波器。所述標(biāo)定方法采用功率可測定的單頻激光源作為標(biāo)定光源，得到探測器在該激光頻率處的絕對響應(yīng)率參數(shù)，利用探測器的歸一化光電流譜可進(jìn)一步計(jì)算得到探測器在其任意可探測頻率處的絕對響應(yīng)率參數(shù)。本發(fā)明直接采用周期輸出的單頻激光源作為標(biāo)定光源，采用太赫茲陣列探測器和功率計(jì)直接測量來獲得被標(biāo)定探測器的入射功率，極大地減小了傳統(tǒng)標(biāo)定方法中背景光、水汽吸收的影響，避免了各種譜積分的復(fù)雜計(jì)算，整個(gè)標(biāo)定過程簡單，引入誤差小，具有廣泛適用性。
【專利說明】一種太赫茲量子阱探測器絕對響應(yīng)率的標(biāo)定方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于太赫茲探測器【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種太赫茲量子阱探測器絕對響應(yīng)率的標(biāo)定方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲量子阱探測器是一種響應(yīng)速度快、響應(yīng)光譜窄、體積小且易集成的半導(dǎo)體探測器，是太赫茲應(yīng)用技術(shù)中非常重要的一類探測器。該類型的探測器于2004年由加拿大的科學(xué)家首次研制成功，由于其材料結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)率大等特點(diǎn)而被廣泛研究，目前器件可探測頻率范圍主要覆蓋2-7THZ頻段。2-7THZ頻段的激光源主要包括太赫茲量子級聯(lián)激光器和二氧化碳?xì)怏w激光器，二氧化碳激光器由于其腔長較長，產(chǎn)生的激光單頻性好，光束質(zhì)量高；而對于太赫茲量子級聯(lián)激光器來說，通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和工藝制備條件，同樣可以得到頻率穩(wěn)定、發(fā)射譜半高寬僅為MHz的輸出激光。太赫茲量子阱探測器的光電流譜半高寬通常為1-2THZ，而激光器的譜寬僅為被標(biāo)定探測器譜寬的百萬分之一，完全可以近似為單頻激光源。因此，二氧化碳激光器或太赫茲量子級聯(lián)激光器均可作為太赫茲量子阱探測器絕對響應(yīng)率的標(biāo)定源。
[0003]響應(yīng)率是衡量太赫茲量子阱探測器工作性能的重要參數(shù)之一。傳統(tǒng)的響應(yīng)率標(biāo)定方法是采用標(biāo)準(zhǔn)黑體作為標(biāo)定輻射源，結(jié)合斬波器、電流放大器和鎖相放大器獲得一定斬波頻率下器件對特定溫度黑體輻射的響應(yīng)幅度，然后通過計(jì)算特定溫度下標(biāo)準(zhǔn)黑體的輻射能量，由探測器敏感面相對黑體輻射的立體角計(jì)算出到達(dá)探測器敏感面的輻射功率，再對探測器的光電流譜進(jìn)行積分，得到峰值探測頻率處占光電流譜積分的比值，最后根據(jù)該比值、到達(dá)探測器敏感面的輻射功率以及鎖相放大器顯示的響應(yīng)幅度和放大器的靈敏度(即放大倍數(shù))計(jì)算得到探測器的峰值響應(yīng)率。上述方法中，盡管探測器在太赫茲頻段具有窄譜探測能力，然而生長探測器的材料體系為GaAs/AlGaAs，實(shí)際制作的探測器對紅外光和可見光均有一定響應(yīng)，因此在采用標(biāo)準(zhǔn)黑體作為標(biāo)定輻射源時(shí)，紅外光和環(huán)境中雜散的可見光(尤其是紅外光)對器件在太赫茲頻段的響應(yīng)率標(biāo)定有較大影響；其次，標(biāo)定過程通常在大氣環(huán)境中進(jìn)行，大氣中水汽對太赫茲輻射的吸收峰分布在探測器光電流譜的多個(gè)頻率點(diǎn)，不能簡單地用一個(gè)空氣透過率值來計(jì)算，而是需要將水汽吸收譜和該光電流譜進(jìn)行對比后做積分差來扣除大氣中水汽吸收的影響，由于水汽吸收譜隨環(huán)境溫度和濕度變化劇烈，標(biāo)定過程中斬波器的快速轉(zhuǎn)動(dòng)會對環(huán)境有較大擾動(dòng)，導(dǎo)致扣除水汽吸收的環(huán)節(jié)引入很大的偏差，因此計(jì)算得到的探測器響應(yīng)率與實(shí)際值差距比較大；最后，由于探測器需要工作在低溫條件，冷卻杜瓦上的窗片對響應(yīng)率測量的影響同樣需要從譜的角度來做積分差計(jì)算。
[0004]因此，提供一種新的太赫茲量子阱探測器絕對響應(yīng)率的標(biāo)定方法及裝置以簡化太赫茲量子阱探測器絕對響應(yīng)率參數(shù)的標(biāo)定過程，并提高探測器的標(biāo)定準(zhǔn)確性和標(biāo)定效率實(shí)屬必要。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種太赫茲量子阱探測器絕對響應(yīng)率的標(biāo)定方法及裝置，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中標(biāo)定過程繁瑣、誤差大，導(dǎo)致標(biāo)定準(zhǔn)確性不高及標(biāo)定效率低的問題。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種用于標(biāo)定太赫茲量子阱探測器絕對響應(yīng)率的裝置，至少包括:驅(qū)動(dòng)電源、單頻激光源、光學(xué)鏡、太赫茲陣列探測器、太赫茲功率計(jì)、電流放大器及示波器；
[0007]所述單頻激光源連接于所述驅(qū)動(dòng)電源，用于在所述驅(qū)動(dòng)電源的驅(qū)動(dòng)信號下輻射出太赫茲激光；
[0008]所述光學(xué)鏡放置于所述單頻激光器一側(cè)，用于會聚所述太赫茲激光；
[0009]所述太赫茲陣列探測器放置于所述光學(xué)鏡一側(cè)，用于測量太赫茲激光會聚焦點(diǎn)處會聚光斑的截面形狀；
[0010]所述太赫茲功率計(jì)放置于所述光學(xué)鏡一側(cè)，用于測量會聚焦點(diǎn)處會聚光斑的總功率；
[0011]所述電流放大器用于對太赫茲量子阱探測器供電并將回路電流提取和放大為電壓信號；
[0012]所述示波器分別與所述電流放大器及所述驅(qū)動(dòng)電源連接，用于對所述電壓信號進(jìn)行顯示和讀取，且顯示過程的外部觸發(fā)信號為所述驅(qū)動(dòng)電源輸出的參考信號。
[0013]可選地，所述單頻激光源為太赫茲量子級聯(lián)激光器或二氧化碳激光器。
[0014]可選地，所述光學(xué)鏡為一組聚乙烯透鏡，包括至少兩個(gè)聚乙烯透鏡。
[0015]可選地，所述驅(qū)動(dòng)電源為脈沖信號源。
[0016]可選地，所述示波器為數(shù)字示波器，包括至少兩個(gè)可測量通道。
[0017]本發(fā)明還提供一種采用如上裝置對太赫茲量子阱探測器的絕對響應(yīng)率進(jìn)行標(biāo)定的方法，至少包括以下步驟:
[0018]S1:采用所述驅(qū)動(dòng)電源輸出周期為t的方波信號對所述單頻激光源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使所述單頻激光源輻射出周期與驅(qū)動(dòng)信號一致、頻率為f的太赫茲激光；
[0019]S2:調(diào)整所述光學(xué)鏡至預(yù)設(shè)位置，使所述太赫茲激光經(jīng)所述光學(xué)鏡后到達(dá)會聚焦點(diǎn)處；
[0020]S3:將所述太赫茲陣列探測器放置于所述會聚焦點(diǎn)處，測量該會聚焦點(diǎn)處會聚光斑的截面形狀并計(jì)算得到截面面積S,；
[0021]S4:將所述太赫茲功率計(jì)放置于所述會聚焦點(diǎn)處，測量該會聚焦點(diǎn)處會聚光斑的總功率P ;
[0022]S5:將所述太赫茲量子阱探測器放置于所述會聚焦點(diǎn)處并采用所述電流放大器對其供電，并將回路電流提取和放大為電壓信號U，采用所述示波器對所述電壓信號U進(jìn)行顯示和讀取，且所述示波器顯示的外部觸發(fā)信號為所述驅(qū)動(dòng)電源輸出的參考信號，然后調(diào)節(jié)所述太赫茲量子阱探測器的位置使所述示波器上顯示的電壓信號U達(dá)到最大值Umax ；
[0023]S6:對比所述會聚焦點(diǎn)處光斑的形狀尺寸與所述太赫茲量子阱探測器光敏面的大小，計(jì)算出二者可重疊區(qū)域的最大面積S"，則入射到探測器敏感面的激光功率P為
[0024]P=aPf's''/s'[0025]其中，α為太赫茲量子阱探測器冷卻杜瓦上的窗片在該激光頻率f處的透過率；
[0026]S7:根據(jù)所述電流放大器的放大靈敏度G，計(jì)算得到所述太赫茲量子阱探測器產(chǎn)生的光電流值為I=G.Umax，根據(jù)所述太赫茲量子阱探測器接收到的光功率P和產(chǎn)生的光電流I計(jì)算得到其在該激光頻率f處的響應(yīng)率值Rf為
【權(quán)利要求】
1.一種用于標(biāo)定太赫茲量子阱探測器絕對響應(yīng)率的裝置，至少包括:驅(qū)動(dòng)電源、單頻激光源、光學(xué)鏡、太赫茲陣列探測器、太赫茲功率計(jì)、電流放大器及示波器，其特征在于: 所述單頻激光源連接于所述驅(qū)動(dòng)電源，用于在所述驅(qū)動(dòng)電源的驅(qū)動(dòng)信號下輻射出太赫茲激光； 所述光學(xué)鏡放置于所述單頻激光器一側(cè)，用于會聚所述太赫茲激光； 所述太赫茲陣列探測器放置于所述光學(xué)鏡一側(cè)，用于測量太赫茲激光會聚焦點(diǎn)處會聚光斑的截面形狀； 所述太赫茲功率計(jì)放置于所述光學(xué)鏡一側(cè)，用于測量會聚焦點(diǎn)處會聚光斑的總功率； 所述電流放大器用于對太赫茲量子阱探測器供電并將回路電流提取和放大為電壓信號; 所述示波器分別與所述電流放大器及所述驅(qū)動(dòng)電源連接，用于對所述電壓信號進(jìn)行顯示和讀取，且顯示過程的外部觸發(fā)信號為所述驅(qū)動(dòng)電源輸出的參考信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于標(biāo)定太赫茲量子阱探測器絕對響應(yīng)率的裝置，其特征在于:所述單頻激光源為太赫茲量子級聯(lián)激光器或二氧化碳激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于標(biāo)定太赫茲量子阱探測器絕對響應(yīng)率的裝置，其特征在于:所述光學(xué)鏡為一組聚乙烯透鏡，包括至少兩個(gè)聚乙烯透鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于標(biāo)定太赫茲量子阱探測器絕對響應(yīng)率的裝置，其特征在于:所述驅(qū)動(dòng)電源為脈沖信號源。`
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于標(biāo)定太赫茲量子阱探測器絕對響應(yīng)率的裝置，其特征在于:所述示波器為數(shù)字示波器，包括至少兩個(gè)可測量通道。
6.一種采用如權(quán)利要求1所述裝置對太赫茲量子阱探測器的絕對響應(yīng)率進(jìn)行標(biāo)定的方法，其特征在于，至少包括以下步驟: 51:采用所述驅(qū)動(dòng)電源輸出周期為t的方波信號對所述單頻激光源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使所述單頻激光源輻射出周期與驅(qū)動(dòng)信號一致、頻率為f的太赫茲激光； 52:調(diào)整所述光學(xué)鏡至預(yù)設(shè)位置，使所述太赫茲激光經(jīng)所述光學(xué)鏡后到達(dá)會聚焦點(diǎn)處； 53:將所述太赫茲陣列探測器放置于所述會聚焦點(diǎn)處，測量該會聚焦點(diǎn)處會聚光斑的截面形狀并計(jì)算得到截面面積S'； 54:將所述太赫茲功率計(jì)放置于所述會聚焦點(diǎn)處，測量該會聚焦點(diǎn)處會聚光斑的總功率P'; 55:將所述太赫茲量子阱探測器放置于所述會聚焦點(diǎn)處并采用所述電流放大器對其供電，并將回路電流提取和放大為電壓信號U，采用所述示波器對所述電壓信號U進(jìn)行顯示和讀取，且所述示波器顯示的外部觸發(fā)信號為所述驅(qū)動(dòng)電源輸出的參考信號，然后調(diào)節(jié)所述太赫茲量子阱探測器的位置使所述示波器上顯示的電壓信號U達(dá)到最大值Umax ； 56:對比所述會聚焦點(diǎn)處光斑的形狀尺寸與所述太赫茲量子阱探測器光敏面的大小，計(jì)算出二者可重疊區(qū)域的最大面積S"，則入射到探測器敏感面的激光功率P為
Q"
Ρ=αΡ( —
S',其中，α為太赫茲量子阱探測器冷卻杜瓦上的窗片在該激光頻率f處的透過率； 57:根據(jù)所述電流放大器的放大靈敏度G，計(jì)算得到所述太赫茲量子阱探測器產(chǎn)生的光電流值為I=G.Umax，根據(jù)所述太赫茲量子阱探測器接收到的光功率P和產(chǎn)生的光電流I計(jì)算得到其在該激光頻率f處的響應(yīng)率值Rf為
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于:于所述步驟S3中，采用圓形區(qū)域近似方法計(jì)算得到所述截面面積S'。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于:所述太赫茲功率計(jì)的敏感面面積大于所述會聚光斑的面積，于所述步驟S4中，所述太赫茲功率計(jì)測量到的激光功率為會聚光斑的全部功率，根據(jù)測量得到會聚光斑的平均功率，然后按方波信號50%的占空比計(jì)算得到會聚光斑總的峰值功率為兩倍的平均功率。
【文檔編號】G01J5/20GK103776547SQ201410066672
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年2月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月26日
【發(fā)明者】譚智勇, 曹俊誠, 顧立, 朱永浩 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所