高温超导太赫兹检测器

发布时间：2017-08-08 18:38

  本文关键词：高温超导太赫兹检测器

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【摘要】：太赫兹(THz)辐射具有许多独特的性质,使其在诸多领域有着诱人的应用前景。高灵敏、简单、易用的THz检测器,不仅是进行THz技术相关科学研究的基础,更是THz技术走向实际应用的必备条件。因此对THz检测器的研究是THz技术发展中最重要的环节之一。高温超导约瑟夫森结具有良好的高频响应,它作为THz检测器具有灵敏度高、噪声低、工作频带宽等优点。高温超导YBCO双晶结是约瑟夫森结的一种,它可以用作THz检测器,并且根据不同的原理具有多种不同的检测方式。本文的研究工作围绕高温超导YBCO双晶结THz检测器展开,主要研究了高温超导THz检测器的制备方法、基本特性及多种检测方式与应用,在高温超导THz检测器的实用化方面取得了较大的进展。本文的主要创新点有：1)首次利用高温超导YBCO检测器检测到高温超导BSCCO源的辐射,为高温超导集成THz接收机的研发提供了一种新途径。在BSCCO源THz辐射下,YBCO结电流电压曲线上最多出现7次Shapiro台阶。基于RSCJ模型进行数值仿真,计算出YBCO结处THz功率达82μW,频率为500GHz。2)提出了利用YBCO检测器快速表征BSCCO源辐射特性的新方法,用此方法研究了BSCCO源辐射功率、频率随偏置电流的变化规律。该方法利用了小功率辐射条件下可直接使用Shapiro台阶高度与位置表征THz辐射功率与频率的原理,避免了复杂的数值运算。研究表明当T=18 K时,通过调节BSCCO源的偏置电压,辐射频率从494 GHz变化到576 GHz。3)研发基于希尔伯特变换的小型高温超导THz频谱仪,高温超导THz检测结、THz耦合系统、双晶结电特性测量系统、频谱仪控制程序等核心模块均自主研发。频谱仪成功实现对0.1～2.5 THz辐射检测,最高频率分辨率达0.04 GHz@114 GHz,2 GHz@1.78 THz。4)开展了高温超导YBCO双晶结THz谐波混频检测的相关研究。在GM制冷机与Stirling制冷机两种制冷机上分别研发了高温超导THz混频检测系统,前者制冷功率强、控温范围广,主要用于科学研究；后者体积小巧、便于携带,主要用于实际应用。成功实现对20μW、623 GHz信号的谐波混频检测,谐波次数高达200次。
【关键词】：太赫兹 约瑟夫森结 高温超导 太赫兹检测器
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM26
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-10
• 第1章 绪论10-37
• 1.1 太赫兹科学与技术10-24
• 1.1.1 太赫兹概述10-13
• 1.1.2 太赫兹辐射源13-17
• 1.1.3 太赫兹检测器17-24
• 1.2 超导电子学24-31
• 1.2.1 超导概述24-28
• 1.2.2 约瑟夫森效应与约瑟夫森结28-31
• 1.3 高温超导太赫兹器件31-35
• 1.3.1 高温超导BSCCO太赫兹源31-34
• 1.3.2 高温超导YBCO双晶结的多种太赫兹检测方式34-35
• 1.4 本文的主要研究内容与创新点35-37
• 第2章 高温超导YBCO双晶结太赫兹检测器的设计、制备与表征37-56
• 2.1 高温超导YBCO双晶结的设计与制备37-43
• 2.1.1 太赫兹器件设计37-40
• 2.1.2 双晶结制备工艺40-43
• 2.2 高温超导YBCO双晶结特性表征43-55
• 2.2.1 测试系统43-44
• 2.2.2 特性表征方法44-51
• 2.2.3 YBCO双晶结参量关系51-55
• 2.3 本章小结55-56
• 第3章 YBCO太赫兹检测器的RCSJ模型数值仿真法与应用56-67
• 3.1 研究背景56-59
• 3.1.1 研究内容与意义56-57
• 3.1.2 测试系统与研究方法57-58
• 3.1.3 BSCCO源的结构与制备工艺58-59
• 3.2 研究结果与分析59-66
• 3.2.1 迈克尔逊干涉仪表征BSCCO源辐射特性59-60
• 3.2.2 YBCO双晶结检测BSCCO源辐射60-63
• 3.2.3 基于RCSJ模型的约瑟夫森结Ⅳ曲线数值仿真63-66
• 3.3 本章小结66-67
• 第4章 YBCO太赫兹检测器的小功率快速表征法及应用67-82
• 4.1 背景介绍67-69
• 4.1.1 YBCO结快速表征小功率THz辐射的原理67-69
• 4.1.2 BSCCO辐射源自混频频谱69
• 4.2 实验装置与自动测量方法69-72
• 4.3 研究结果与分析72-77
• 4.3.1 BSCCO源的结构与辐射特性72
• 4.3.2 BSCCO源辐射特性随偏置电流变化规律72-76
• 4.3.3 BSCCO源的自混频频谱特性76-77
• 4.4 BSCCO源辐射特性与机制讨论77-81
• 4.5 本章小结81-82
• 第5章 小型高温超导太赫兹频谱仪——希尔伯特变换法82-96
• 5.1 背景介绍82-85
• 5.1.1 希尔伯特变换频谱仪的发展82-83
• 5.1.2 希尔伯特变换频谱仪的原理83-85
• 5.2 小型高温超导太赫兹频谱仪的研制85-90
• 5.2.1 系统的技术路线与主要结构模块85-89
• 5.2.2 小型太赫兹频谱仪实体89-90
• 5.3 性能测试与研究90-95
• 5.3.1 小型太赫兹频谱仪频谱性能测试90-92
• 5.3.2 工作温度对频谱仪性能的影响92-94
• 5.3.3 小型太赫兹频谱仪的频谱线宽研究94-95
• 5.4 本章小结95-96
• 第6章 高温超导YBCO双晶结混频检测96-111
• 6.1 背景介绍96-100
• 6.1.1 混频器简介96-98
• 6.1.2 混频器原理98-100
• 6.2 YBCO双晶结太赫兹混频检测系统100-106
• 6.2.1 系统构成与所需仪器100-102
• 6.2.2 GM制冷机上的太赫兹混频系统102-104
• 6.2.3 Stirling制冷机上的THz混频系统104-106
• 6.3 YBCO双晶结太赫兹混频检测106-110
• 6.3.1 GM制冷机系统上的THz混频检测106-108
• 6.3.2 Stirling制冷机系统上的THz混频检测108-110
• 6.4 本章小结110-111
• 第7章 总结与展望111-113
• 7.1 总结111-112
• 7.2 展望112-113
• 参考文献113-122
• 附录A 高温超导器件特性表征系统122-130
• 发表论文与申请专利130-132
• 致谢132-134

【参考文献】

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本文编号：641475