超导NbN HEB太赫兹直接检测器特性研究

发布时间：2020-05-10 12:45

【摘要】：近三十年来,超导氮化铌(NbN)热电子测辐射热计(HEB)作为外差检测器(混频器)广泛应用于太赫兹波段天文观测,并成为1.2 THz以上频段工作于液氦温区低噪声接收机中最有优势的检测器。超导NbN HEB响应时间短且灵敏度高,近些年来也用作太赫兹直接检测器,在生物、医药、安检等领域都有着较广的应用前景。基于上述背景,本论文围绕超导NbN HEB太赫兹直接检测器的电磁特性以及不同读出法下采用不同偏置方式时的灵敏度特性开展研究。主要成果为:1.设计制备了对数螺旋天线耦合型超导NbN HEB芯片,改进制备工艺并提高了成品率。2.对超导NbN HEB本征物理电磁特性进行了研究,建立了分布式超导电阻率模型并计算I-V曲线,仿真了微桥对能隙频率以下太赫兹辐射的非均匀吸收特性,并利用微波探针工具重点研究了 NbN HEB在双稳态的弛豫振荡特性以及阻态的本征振荡特性。3.在直流读出法下,比较了采用热、微波以及太赫兹偏置时NbN HEB在0.65 THz的直接检测性能。进一步地,在微波反射读出法下(特别是针对HEB多像元阵列),分别比较了采用热与微波偏置时的直接检测性能。实验结果表明,通过合适地选择微波频率及功率,微波偏置不会恶化灵敏度,我们得到了 pW/(?)量级的光学噪声等效功率(NEP),比热偏置时的NEP有一定程度的改善。此外,设计了两款相应的NbN HEB读出电路。4.设计制备了一种基于超材料开口谐振环型超导NbNHEB芯片,进行了太赫兹时域光谱仪和傅里叶变换光谱仪测试,并表征了其在0.65 THz的直接检测性能(NEP为pW/(?)石量级)。这种新型的电感电容谐振窄带NbNHEB可作为片上THz光谱仪,在检测微弱THz短脉冲方面有着潜在的应用价值。
【图文】：

太赫兹,透射谱

１．１太赫兹（Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ，ＴＨｚ）波通常指０．１邋ＴＨｚ到１０邋ＴＨｚ频带内的电磁波逡逑［１，２］，对应波长为３邋ｍｍ到３０／ｉｍ，覆盖毫米波至远红外波段。太赫兹波段处逡逑于电子学和光子学交叠的区域，直到最近三十多年来，才被世界各地研宄人员逡逑广泛地重视和研宄。诸多因素限制着太赫兹技术的发展，有效的太赫兹源和高逡逑灵敏太赫兹检测器一直以来是研宄的重点。此外，地球大气对太赫兹的吸收比逡逑较严重（主要受水汽振动－转动能级影响）。为方便参考和查阅，图１．１给出了逡逑一段ＴＨｚ波（０？２邋ＴＨｚ）的大气透射谱。逡逑随着研宄的不断深入，太赫兹技术应用在不同领域的重要性日益凸显。例逡逑如，在天文观测领域［３］，宇宙中许多星系或星云的发射谱线大多位于太赫兹逡逑波段，因此需要高灵敏太赫兹检测器，其中比较有名的应用如红外天文平流层逡逑观测台（ＳＯＦ丨Ａ）和阿塔卡玛毫米波望远镜阵列（ＡＬＭＡ）。利用太赫兹波对逡逑干燥、非金属、非极性材料的强透射能力，可以做无损检测、安检及医学成像逡逑［４，邋５］等。在生物制药领域，利用太赫兹光谱技术还可以鉴定药物的成份［６］。逡逑此外，太赫兹频带宽的特点，，使短程宽带太赫兹通信极具应用前景Ｐ］。逡逑Ｉ邋｜邋｜逦Ｉ邋＿邋ｔ邋Ｉ邋？邋ｌ邋＇邋＾邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋．邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｉ邋￣＇逡逑

谱线,气体激光器,远红外,驻波

远红外气体激光器是产生连续波相干太赫兹辐射源的一种重要装置，０年首次报道以来［１３］，仍然被当前世界各科研机构的实验室广泛使用。逡逑１．２所示，通过（：０２激光泵浦远红外谐振腔内的气体分子（如ＣＨ３ＯＨ、逡逑ＯＯＨ等），利用这些有机分子转动与振动能级间的跃迁，可激发出不的太赫兹辐射。我们实验室的远红外气体激光器，其太赫兹辐射频率６？４．２５邋ＴＨｚ，极化场方向由所选气体媒介和谱线共同决定。在？２．５邋ＴＨｚ邋（１１８．８／ｉｍ）处可达１５０ｍＷ的输出功率，为垂直极化（选用ＣＨ３０Ｈ，谱
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O441.4;TN773;P111

【参考文献】