虹科分享 | 如何实现太赫兹波段的功率测量？

 

太赫兹功率的测量需求

到20世纪80年代末，钛蓝宝石激光器的出现以及其他技术的发展推动了辐射研究进入电磁波谱的远红外或太赫兹（THz）波段。在早期，由于缺乏太赫兹源和探测器，这个光谱区域也开始被称为“太赫兹间隙”。从低频端开始，太赫兹的邻居——微波受益于相对成熟的电子技术的使用，该技术在二十世纪取得了巨大的进步。而在高频端，相对成熟的红外技术也有非常强大的光源和灵敏的探测器。

图1 太赫兹波在电磁频谱中的位置

这种应用差距的原因源于微波和光学技术运行的基本原理。一方面，经典的微波产生和检测基于直接电子振荡或在半导体器件中利用非线性。这些设备难以在高于100 GHz 的频率下运行，因为此类设备中的载波传输时间只能以牺牲其物理尺寸为代价来缩短，这反过来又意味着它们可以处理的功率会降低。另一方面，光学技术在较长波长下会变得嘈杂，因为所涉及的光子能量在室温下接近粒子的热能。因此，本来可以用于光电探测的量子系统会不断地被周围环境激发，而不仅仅是被要测量的辐射所激发。三十年前，太赫兹研究领域还处于起步阶段。用于太赫兹频率的敏感光度测量和辐射测量设备尚不存在，唯一可用的强大单色光源——酒精蒸汽激光器难以操作和维护，因此太赫兹源相对稀有。而在过去的三十年里，太赫兹技术取得了巨大的进步，并出现了许多有趣的应用。太赫兹辐射现在既可用于探测新型材料中的基本相互作用，也可用于工业、医学、生物学和文化遗产等多种用途的无损检测。至关重要的是，单色、可调谐和宽带太赫兹源的输出功率和种类数量已大大增加。

图2 基于倍频器与量子级联激光器原理的太赫兹源

在太赫兹研究中经常遇到的一个问题是进行可靠和可追溯的功率测量的能力。在许多情况下，功率水平要么以任意单位表示，要么以从在许多情况下未正确校准的设备获得的实际物理单位表示。这样做的原因是，使用广泛接受的测量方法意味着使用校准良好的仪器，这些仪器对于太赫兹的测量而言通常不可用，此外需要相对严格的实验设计和系统的测量不确定性分析，同时考虑到所有统计和系统误差贡献 ，导致无法得到公平比较的设备（例如发射器和检测器）性能报告。

图3 太赫兹功率计
 

中心任务——测量可追溯到国际单位制 (SI) 的太赫兹光谱范围内的辐射功率，一直是德国联邦物理技术研究所（PTB)太赫兹辐射测量组活动的核心。PTB 最重要的贡献之一是校准了从 700 GHz - 5 THz的太赫兹探测器的光谱响应度。这些测量的最低不确定性是通过远红外分子气体激光器实现的，该激光器由频率稳定的 CO2 激光器光学泵浦，并从分子气体的旋转跃迁中发射出可调谐的单色辐射。现阶段，随着技术的发展，用于太赫兹功率测量的各类探测器技术也相继出现。

用于低频太赫兹的波导探测器

同轴和空心金属波导中的射频 (RF) 功率测量已得到很好的建立，有源设备的输出功率是通过将经过校准、匹配良好的功率传感器连接到其标准化输出连接器或法兰来直接测量的。国际单位制的可追溯性是通过直流（DC）功率替代来实现的。这种方法使用了不同的传感器类型，例如热敏电阻功率传感器、热电功率传感器和波导干式量热计。量热计通过量热体来吸收感应太赫兹的电磁能量，从而转化为热能，吸收的热量会使量热体的温度上升，通过检测其温差热电势来得到入射太赫兹的功率，是目前使用比较广泛的一种测量方法。图4 量热计模型这种方法功率测量的不确定性主要来自于从连接器或法兰到传感器元件的波导中的射频损耗、射频和直流加热之间的非理想等效性、温度不稳定性和功率传感器中使用的热电堆的非线性。考虑到所有误差贡献因素，热敏电阻和热电功率传感器在100 GHz时的测量不确定度均扩大了1%。到目前为止，这种主要的功率校准在PTB时最高可达110 GHz，将校准功能扩展到上波导波段的工作正在进行中。在对比实验中，已证实在 WR-10 频段（75 GHz–110 GHz）中，波导内部测量的功率等于使用光学校准探测器在1.4T校准的热释电薄膜探测器测量的天线辐射到自由空间的功率。目前，将功率等级之间的这种联系扩展到更高频率的进一步工作正在进行中。

自由空间探测器——热释电

自由空间探测器中，热释电探测器是最常用的类型，并且已经成功商业化。其基本工作原理为热释电效应。热释电效应是一些特殊晶体自身的物理特性，只与材料本身有关。其表现在特殊材料在其表面温度变化时，内部电偶极矩发生改变，以钽酸锂材料为例就是 Ta5+和 Li+相对于中心的位置会产生偏移，此时为了保持材料内部电中性，材料表面就会释放出吸附的自由电荷，这种特殊材料由温度变化而引起自由电荷转移的现象即称为热释电效应。

图5 热释电原理
从辐射的热辐射能量形式照射到钽酸锂晶体转换为温度的变化，接着温度的变化由于热释电效应转变为晶体表面电荷的变化，外接读出电路后可转化为响应电压的电信号形式。需要注意的是，恒定的入射辐射会是探测器面电荷密度很快中和，不能持续读取入射辐射，因此热释电探测器要求变化的输入辐射，即需要对连续入射辐射进行调制的斩波器。将连续太赫兹辐射能量通过斩波器调制成方波脉冲信号后，就能通过热释电探测器和后端读出电路测量连续太赫兹辐射能量振幅，这也是钽酸锂热释电太赫兹辐射能量探测机理，这种比例关系方便于探测器对太赫兹辐射能量标定与分析。

图6 热释电的转换关系

为了尽可能地吸收太赫兹的辐射能量，在热释电探测器中通常会使用黑色涂层，能够实现宽频率范围的太赫兹波的吸收，但是在响应的均匀性上会有一定限制。在不同的频段，其响应系数存在区别。通常，响应电压 Vpp与频率 f的关系在全频段内，Vpp随f是先递增，然后保持平滑，继而保持最后递减的趋势。

图7 热释电探测器频率响应趋势

近期，针对热释电探测器也有一些新的研究进展。由于具有光学黑色辐射吸收器的商用太赫兹探测器的均匀性限制，PTB与激光功率计制造商一起开发了一种基于聚偏二氟乙烯（PVDF）薄膜的新型热释电薄膜探测器。新颖之处在于两个表面上都有一种特殊的金属涂层，可用作热释电信号的读出电极。它们的片状电导率的等效并联电路设置为真空阻抗的一半。通过这种方式，两个电极一起充当半透明的金属吸收剂，从而产生50%的频率无关吸光度，特别是对于较低的亚太赫兹频率。

最近，这种热释电薄膜探测器被用于国际试点比较，以测量太赫兹光谱范围内的辐射功率。该对比实验由PTB以新的方式组织，涉及使用中国、美国和德国国家计量机构提供的设备对两条激光线（2.52 THz和0.762 THz）进行的测量进行比较。测量结果显示，三个参与国所陈述的不确定性之间达成了良好的一致意见，不过距离完全商用还需要更多的研究和时间投入。

随着这些新技术和设备的引入，除了校准现有辐射测量设备的能力外，太赫兹光谱区域的功率测量将在未来几年变得更加一致，这将消除文献中仍然出现的不一致之处。

虹科太赫兹功率测量方案

虹科TeraPyro 传感器是一款紧凑和高灵敏度的太赫兹传感装置。基于高质量的黑色吸收涂层与 LiTaO3热释电晶体，黑色涂层的广泛吸收范围使得该传感器可以在很大的光谱范围内使用 （从0.1到30THz），其高灵敏度和低NEP对性能没有影响。基于AR涂层硅透镜、预对准、高质量的太赫兹光学器件确保了最大限度的传感器光学耦合。光学系统是高度模块化的，允许三种配置：单传感器、准直输入或具有50mm工作距离的聚焦输入。

作为一款入门级的太赫兹功率计，虹科TeraPyro传感器具有最佳的成本效益比。该款传感器具有响应灵敏度调整开关，可实现的灵敏度最高可达2 kV/W。也可以根据需要降低检测器的响应度，这会在响应时间内获得更快的测量，其探测速率最快可达2.5KHz，满足不同探测应用的需求。

每个传感器都会使用德国计量所（PTB）的标准太赫兹功率计进行校准，从而保证出厂的太赫兹热释电传感器测量功率的数值准确性和可靠性。