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(jié)構(gòu)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(yīng)用領(lǐng)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(gòu)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(shù)研究院（NIST）以及美國國防部國防先進研究計劃署（DARPA）等機構(gòu)，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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(yīng)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(shù)，例如離子研磨以及離子分層技術(shù)，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(shù)，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(yīng)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(yīng)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(guān)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(shù)以及強大的DSP鎖相軟件的發(fā)展，與模擬熱電探測器相結(jié)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(gòu)建的太赫茲測量系統(tǒng)，則非常笨重。現(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(guān)設(shè)備的性能不斷改進，但依然需要人們對該領(lǐng)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(yīng)用系統(tǒng)市場的增長，可以預(yù)計未來用于太赫茲領(lǐng)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。