薄膜晶體熱電探測器的發(fā)展、電子元件的改進以及最新的數(shù)字信號處理（DSP）鎖相放大器軟件的出現(xiàn)，使得測量遠紅外及太赫茲(0.1～30THz)波段50nW的能量成為可能，并且其分辨率可達到2nW。

作者：Don Dooley，Spectrum Detector公司

寬帶室溫熱電探測器在先進太赫茲源的研發(fā)過程中發(fā)揮著重要作用。在過去的五年間，人們對太赫茲源的興趣與資金投入都出現(xiàn)了顯著增長。與此同時，為了支持太赫茲源研究，人們對寬帶熱探測器開發(fā)的興趣也與日俱增。

太赫茲波處于電磁波譜中的遠紅外與微波波段之間，波長范圍約為30～1000µm或者頻率范圍約為10～0.3THz，人們對這個特殊波段的研究興趣尤為濃厚。太赫茲輻射能夠穿透木材、塑料以及布料等材料，并且能夠被水或含有水的材料（例如人體組織）所吸收。由于太赫茲輻射是完全非電離的，其不會像X射線那樣對人體產(chǎn)生傷害，因此太赫茲輻射在人體與行李安檢、機翼結構的無損測試、癌癥生長的早期探測、微電子元件的非破壞性測試以及識別爆炸物的太赫茲光譜學等應用領域頗具吸引力。

在推動太赫茲輻射源以及探測器的創(chuàng)新性研發(fā)與改進方面，政府機構發(fā)揮了帶頭作用。美國空軍、美國國家自然科學基金會、美國國家標準技術研究院（NIST）以及美國國防部國防先進研究計劃署（DARPA）等機構，已經(jīng)資助了一些小型企業(yè)創(chuàng)新研發(fā)項目（SBIR），以鼓勵產(chǎn)業(yè)界加入研發(fā)之列，從而為更多的太赫茲應用提供更大（更強）的太赫茲源和更好（更靈敏）的探測器。

太赫茲源與探測器

太赫茲源有多種形式，包括黑體輻射熱源、Gunn二極管以及回波振蕩器（BWO）、量子級聯(lián)激光器（QCL）、CO₂泵浦的氣體激光器以及外差連續(xù)波光混頻系統(tǒng)等。它們可以輸出功率從納瓦到毫瓦、能量從納焦到毫焦的連續(xù)或脈沖太赫茲波。

太赫茲探測器同樣多種多樣：例如Golay池（Golay cell）、微測輻射熱計、熱電探測器等熱效應探測器，以及寬帶天線、肖特二極管等電子探測器。在這些探測器中，熱探測器中的寬帶熱電太赫茲探測器，最近在性能方面獲得了顯著提升。

多年以來，Golay池一直是太赫茲探測器的首選，并且也一直是天文學家進行太赫茲測量工作的標準器件。Golay池在太赫茲波段具有較為合理的響應性能（噪聲等效功率約為1.2×10^-10W/(Hz)^1/2）。盡管時至今日人們依然在使用Golay池，但是其存在的一些缺陷已經(jīng)迫使研究人員尋求其他的熱電探測器（見圖1）。Golay池存在的缺陷包括：探測器外殼和電源的體積龐大、功率范圍有限（通常最大功率為10µW）、需要與窗口一起使用、響應速度慢（25ms），以及價格相對昂貴。

圖1：LiTaO₃熱電探測器與Golay池探測器的相對光譜響應對比。

毫無疑問，微測輻射熱計是最靈敏的太赫茲探測器（噪聲等效功率約為2×10^-12W/(Hz)^1/2），但是它們同樣也存在很多問題：必須在液氦溫度下工作，因此需要較貴的低溫箱、物理體積十分龐大（根本無法攜帶），并且價格昂貴。如果要追求最高性能的話，那么微測輻射熱計將是太赫茲探測器的首選；但如果僅是日常使用、進行基本的功率或能量測量，那么選擇微測輻射熱計就有些不切實際了。

管一直以來熱電探測器都很容易獲得，并且其具有室溫操作、無窗口運轉(zhuǎn)、體積較小以及價格低廉等一些固有優(yōu)勢，但它們卻不是太赫茲應用的首選探測器，原因之一是：與Golay池相比，典型的混合式熱電探測器的噪聲等效功率和探測靈敏度都較差。此外，熱電探測器通常作為單一元件供貨，因此需要對其進行設計以集成到電路中才能使用。然而值得慶幸的是，在過去的幾年中，這種情況已經(jīng)發(fā)生了變化。

提高熱電他測器性能

得益于熱電材料加工、吸收膜層材料的最新發(fā)展，以及在電路噪聲性能和數(shù)字處理鎖相軟件方面所取得的進步，熱電探測器的性能獲得了長足改善，已經(jīng)能夠接近甚至超過Golay池的性能。

目前，人們可以在市場上買到集成易于使用的LabView軟件的新型寬帶數(shù)字輻射計，其能在3～30THz的頻率范圍內(nèi)測量50nW的功率，分辨率可達2nW。

熱電特測器實質(zhì)上是交流電流源，其輸出電流與材料厚度和溫度變化率成反比。描述電流響應度（R_i）的一個簡單方程是R_i = p(T)α/ρc_pd，其中p(T)代表熱電系數(shù)，α代表膜層吸收系數(shù)，ρ代表晶體密度，c_p代表比熱，d代表晶體厚度。從這個方程中可以看出：減小晶體厚度、增加膜層吸收將會提高輸出電流，從而改善熱電探測器的光學性能。

采用新的材料加工技術，例如離子研磨以及離子分層技術，已經(jīng)能夠制作出厚度小于10µm的鉭酸鋰（LiTaO₃）和鈮酸鋰（LiNO₃）。似乎在不遠的將來，人們就能獲得厚度為幾微米的薄膜材料。在過去的幾年中，采用標準的光學研磨和拋光技術，人們獲得了厚度為25µm的LiTaO₃材料，這個厚度已經(jīng)是LiTaO₃材料的加工極限。利用25µm材料制作的探測器，其電流響應度約為1µA/W。目前，人們已經(jīng)利用新型薄膜材料獲得了超過4µA/W的電流響應度，最終的混合型探測器光放大器的噪聲等效功率小于1.0×10^-10W/(Hz)^1/2。

盡管目前人們已經(jīng)能夠加工出這些新型薄膜，但并不意味著不再面臨挑戰(zhàn)：人們?nèi)匀恍枰獙で笮碌姆椒▽�這些薄膜進行處理并轉(zhuǎn)移到載體襯底上，以在隨后的加工過程中保護其免受損傷。隨著這些方法的不斷改進，人們期望制造出大面積探測器（直徑5mm），這最終可以使探測率提高10倍。此外，太赫茲天線的尺寸也至關重要，因為將長波長輻射聚焦到小面積探測器上的能力有限。目前，這些薄膜LiTaO₃熱電探測器已經(jīng)能在市場上買到（見圖2）。

圖2：目前薄膜LiTaO₃熱電探測器已有商用產(chǎn)品。

盡管目前熱電探測器所采用的鉻、有機碳黑以及金黑鍍膜在0.2～15µm波段的吸收特性已廣為人知，但是它們在30～3000µm的太赫茲波段內(nèi)的屬性卻還不為人知。盡管熱電探測器上采用的單壁和多壁碳納米管鍍膜已經(jīng)取得了一些極有希望的研究進展，但它們在太赫茲波段的吸收和校準依然是個挑戰(zhàn)（見圖3）。

圖3：用肉眼可以觀察到薄膜熱電太赫茲探測器上的多壁碳納米管吸收膜。

將數(shù)字電子元件、數(shù)字過采樣噪聲減少技術以及強大的DSP鎖相軟件的發(fā)展，與模擬熱電探測器相結合，能夠制造出用于太赫茲測量的便捷、高性能的寬帶輻射計。而以前需要同時采用熱電探測器、模擬前置放大器、鎖相放大器以及光學斬波器才能構建的太赫茲測量系統(tǒng)，則非常笨重�，F(xiàn)在，這一切已經(jīng)變得十分簡單——僅僅需要電腦、斬波器以及寬帶熱電輻射計，就可以測量輻射通量（mW）或輻照度（mW/cm²）（見圖4）。

圖4：現(xiàn)今的寬帶熱電輻射計系統(tǒng)已顯著改善，并配有數(shù)字處理鎖相軟件。

前景展望

盡管寬帶熱電太赫茲探測器以及相關設備的性能不斷改進，但依然需要人們對該領域進行深入研究，以獲得更多的改進。目前，人們面臨的最大挑戰(zhàn)是對0.3～10THz波段的輻射進行光譜測量與校準。盡管目前在美國NIST中尚沒有解決該問題的項目，但是世界上許多大學的研究人員都表示愿意協(xié)力解決這一難題。許多國家的標準實驗室，例如英國的國家物理實驗室（NPL）以及德國的國家計量研究所（PTB）都正在針對該問題開展研究工作。隨著未來10年太赫茲源、探測器以及太赫茲應用系統(tǒng)市場的增長，可以預計未來用于太赫茲領域的寬帶熱電探測器的形式、功能以及校準等性能指標都將得以不斷提升。