專利名稱：一種太赫茲波探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太赫茲波檢測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種太赫茲波探測器。
背景技術(shù)：
太赫茲(THz)電磁波通常指波長在3mm-30iim (100GHz-10THz)區(qū)間的遠紅外電磁輻射，其波段位于微波和紅外光之間，由于其獨特性質(zhì)，如瞬態(tài)性，寬帶性，相干性，低能性等，受到人們的廣泛關(guān)注。很多對紅外和可見光不透明材料對太赫茲波是透明的，因此發(fā)展了太赫茲波成像技術(shù)，目前，該技術(shù)已應(yīng)用于安全檢查，無損檢測，質(zhì)量控制等領(lǐng)域。在連續(xù)太赫茲波成像系 統(tǒng)中，雖然使用一個具有固定頻率的太赫茲源和單個探測器的成像系統(tǒng)不能提供物質(zhì)的深度、頻譜和時域信息，但是它體積小巧、結(jié)構(gòu)簡單、價格相對較低，因此連續(xù)太赫茲波成像系統(tǒng)在目前的太赫茲成像技術(shù)中被廣泛使用。連續(xù)太赫茲波成像的理論已提出幾十年，但是該領(lǐng)域中的挑戰(zhàn)仍然存在于開發(fā)新的太赫茲波發(fā)射源或者提高太赫茲波發(fā)射源的功率以及提高太赫茲波的檢測技術(shù)。目前使用的太赫茲波探測器大多都需要低溫冷卻系統(tǒng)，其響應(yīng)速度慢，價格昂貴。常用的室溫太赫茲波探測器有三種肖特基二極管，焦熱電探測器和聞萊探測器。肖特基二極管(Schottkydiode)是一種低功耗、超高速半導體器件。噪聲等效功率(NEP)小于IO-uiWAlz"2,調(diào)制頻率可達kHz以上，響應(yīng)率在100-3000V/W之間。雖然利用差頻檢測技術(shù)可以探測頻率高于I. 5THz的電磁波，但是響應(yīng)率很低，并且所需要的本征振蕩器的功率是當前的技術(shù)很難達到的。肖特基二極管對靜電放電非常敏感，操作過程中要接地，否則容易損壞探測器。焦熱電探測器(Pyroelectric detector)是利用熱釋電材料的自發(fā)極化強度隨溫度變化的效應(yīng)制成的一種熱敏型紅外探測器。在室溫工作時，對波長沒有選擇性，可以探測0. I-IOTHz范圍內(nèi)的電磁輻射。其NEP小于10_nW/Hz1/2，但是響應(yīng)速度慢，一般采用幾十赫茲的調(diào)制頻率。高萊探測器(Golay Cell)的原理是當太赫茲福射通過接收窗口照射吸收薄膜時，吸收薄膜將能量傳遞給與之相連的氣室，使氣體溫度和氣壓升高。以此驅(qū)動與氣室相連的反射鏡膨脹偏轉(zhuǎn)，通過光學方法檢測反射鏡的移動量，即可間接地測量THz輻射。這種探測器的優(yōu)點是對波長無選擇性，響應(yīng)波段寬(0. 1-lOOOTHz),響應(yīng)率為I. 5X 105V/W，NEP小于10-nW/Hz1/2，且能在室溫條件下工作，使用方便。但是由于其響應(yīng)速度慢，一般只用于輻射變化緩慢的場合，調(diào)制頻率一般只有20Hz。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種太赫茲波探測器，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的價格昂貴且響應(yīng)速度慢的問題。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的，一種太赫茲波探測器，包括斬波器和聚乙烯透鏡，還包括氖燈，所述氖燈與直流電源和電流表構(gòu)成閉合回路；所述氖燈的輸出端與電容器、放大器及示波器或鎖相放大器構(gòu)成閉合回路；所述斬波器置于所述聚乙烯透鏡之前，所述氖燈置于所述聚乙烯透鏡的焦點位置，所述斬波器的調(diào)制信號也被輸入所述示波器或鎖相放大器中作為參考信號。所述氖燈與所述直流電源之間接有保護電阻，即所述氖燈與保護電阻、直流電源和電流表構(gòu)成閉合回路。所述電容器與放大器之間設(shè)有濾波器，即所述氖燈的輸出端與電容器、濾波器、放大器和示波器或鎖相放大器構(gòu)成 閉合回路。所述氖燈的玻璃壁的厚度為0. 3-0. 5mm,拋光光潔度小于I y m。所述氖燈的玻璃壁的背面貼有金屬膜或者鍍有金屬薄膜。本發(fā)明具有如下有益效果，I、本發(fā)明以價格低廉的氖燈作為探測元件，由氖燈放電產(chǎn)生的等離子體對太赫茲電磁波的響應(yīng)時間僅為微秒量級，且本發(fā)明在室溫條件下工作時不需要任何冷卻裝置，因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明不僅大幅度降低了太赫茲波探測器的生產(chǎn)成本，而且大幅度提高了太赫茲波探測器的響應(yīng)速度。2、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明響應(yīng)波段較寬，頻譜響應(yīng)范圍從微波到0. 7THz ;同時，因為氣體的電離率隨入射太赫茲波功率增加線性增加，所以，當太赫茲電磁波的功率較高時，不會損壞探測器，也不會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。


圖I為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明所測得的頻率為0. 2THz的電磁波信號；圖3為本發(fā)明對0. 2THz的電磁波的響應(yīng)率隨放電電壓的變化關(guān)系；圖4為本發(fā)明在不同的放電電流下的噪聲功率譜；圖5為本發(fā)明分別探測頻率為0. lTHz、0. 2THz和0. 37THz的電磁波信號；圖6為本發(fā)明透射式成像系統(tǒng)的示意圖。圖中，I.斬波器、2.聚乙烯透鏡、3.氖燈、4.直流電源、5.電流表、6.電容器、7.放大器、8.示波器、9.保護電阻、10.濾波器、11.鎖相放大器。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細說明。一種太赫茲波探測器，參見圖I，包括斬波器I、聚乙烯透鏡2、氖燈3，氖燈3與直流電源4、電流表5構(gòu)成閉合回路；氖燈3的輸出端與電容器6、放大器7和不波器8構(gòu)成閉合回路；斬波器I置于聚乙烯透鏡2之前，氖燈3置于聚乙烯透鏡2的焦點位置，斬波器I的調(diào)制信號也被輸入示波器8中作為參考信號。本發(fā)明對氖燈3結(jié)構(gòu)進行了改進(I)氖燈3的玻璃壁對太赫茲電磁波有強烈的吸收，因此，本發(fā)明使用精密拋光機對氖燈3玻璃壁進行拋光，減小厚度，使其拋光光潔度小于I U m，厚度0. 3-0. 5mm。(2)太赫茲波經(jīng)過氖燈3的輝光放電區(qū)域時，只有少部分的太赫茲連續(xù)波能夠與放電氣體相互作用，為了將透過放電區(qū)域的太赫茲連續(xù)波重新反射并匯聚到輝光放電區(qū)域，在氖燈3玻璃壁的背面貼上一層金屬膜，也可以利用電子束蒸發(fā)或磁控濺射的方法鍍上一層金屬薄膜作為反射鏡。使用電壓源時，要在電路中串聯(lián)保護電阻9，使氖燈3與保護電阻9、直流電源4和電流表5構(gòu)成閉合回路。保護電阻9用以限制通過氖燈3的放電電流，并使氖燈3放電穩(wěn)定。保護電阻9的阻值大于100Q，阻值越大，氖燈放電越穩(wěn)定，但是電源提供的放電電壓也越聞。使用電流源時，電路中可以不用保護電阻9，這樣可以降低整個系統(tǒng)的功耗。實驗中，放電電流從0. lmA-20mA連續(xù)可調(diào)。為了提高探測效果，電路中可設(shè)置濾波器10，使氖燈3的輸出端與電容器6、濾波 器10、放大器7和示波器8構(gòu)成閉合回路。斬波器I的調(diào)制頻率從2Hz到20kHz之間調(diào)節(jié)。
I電容器6的大小取決于斬波器I的調(diào)制頻率，C = —— , f是斬波器I的調(diào)制頻
IjiRj，
率，R是與信號通路并聯(lián)的等效電阻。濾波器10為帶通濾波器，其諧振頻率設(shè)置為斬波器的調(diào)制頻率。放大器的放大倍數(shù)從1-1000，根據(jù)被測太赫茲波的強度進行調(diào)節(jié)。當給氖燈3所施加的電壓高于氣體的擊穿電壓時，氣體被擊穿，在兩電極之間形成不連續(xù)的輝光放電區(qū)域。經(jīng)過斬波器I調(diào)制之后的太赫茲連續(xù)波被聚乙烯透鏡2聚焦后照射在氖燈3的兩電極之間的輝光放電區(qū)域。在太赫茲連續(xù)波的作用下，輝光放電區(qū)域的氖原子的電離率增加，引起回路中電流變化，從而引起氖燈3兩端偏置電壓的變化。由于該電壓的變化量與太赫茲連續(xù)波的功率成正比，因此可以利用該電壓的變化量來反映太赫茲連續(xù)波的功率大小，這就是利用氖燈探測太赫茲連續(xù)波的原理。在氖燈3兩端連接的電容器6可以濾除在直流偏置電場下氖燈放電形成的直流信號，然后將這一由斬波器I調(diào)制的太赫茲連續(xù)波引起的氖燈3兩端電壓變化的信號輸入示波器8，同時將斬波器I的調(diào)制信號輸入到示波器8的另一通道作為觸發(fā)信號。通常在信號進入示波器8之前，要通過帶通濾波器和一個放大器7來提高信號的信噪比和響應(yīng)率。圖2為本發(fā)明測得的0. 2THz的電磁波信號。實驗中，太赫茲波發(fā)射源為0. 2THz的耿氏振蕩器，輸出太赫茲波的功率為40mW，斬波器I頻率為900Hz，放電電流為9mA，沒有使用濾波器10，放大器的放大倍數(shù)為I。圖中虛線為斬波器I的調(diào)制信號的波形，實線是所測得的太赫茲信號。圖3為本發(fā)明對0. 2THz的電磁波的響應(yīng)率隨放電電壓的變化關(guān)系。考慮到氖燈3的玻璃壁對太赫茲電磁波的吸收和散射以及由于太赫茲波束尺寸與氖燈3電極尺寸的不匹配，只有不到1%的0. 2THz的電磁波被氖燈接收到，因此，在計算響應(yīng)率時，太赫茲連續(xù)波的功率取總太赫茲連續(xù)波功率的1%。從圖中可以看到，本發(fā)明太赫茲波探測器的響應(yīng)率隨著放電電流的增加而增加并逐漸趨于飽和，當放電電流為9mA時，太赫茲波探測器的響應(yīng)率為55V/W。圖中的誤差線表明當放電電流較大的時候，氖燈3工作狀態(tài)較穩(wěn)定，但是當放電電流大于15mA時,氖燈3由輝光放電過渡到弧光放電,工作狀態(tài)極不穩(wěn)定。圖4為本發(fā)明太赫茲波探測器在不同的放電電流下的噪聲頻譜。從圖中可以看出，隨著放電電流的增加，噪聲減小。其原因是氖燈3放電產(chǎn)生的噪聲可分為散射噪聲和二次電子發(fā)射噪聲。散射噪聲是由于帶電粒子的碰撞率的波動導致的，散射噪聲非常小，并且隨著放電電流的增加而緩慢減小。二次電子發(fā)射噪聲是由于到達氖燈3的陽極上的能夠引起二次電子發(fā)射的電子數(shù)目的波動導致的。隨著放電電流增加，二次電子發(fā)射噪聲迅速減小。本發(fā)明太赫茲波探測器的噪聲等效功率(NEP)可由下式計算
權(quán)利要求
1.一種太赫茲波探測器，包括斬波器(I)和聚乙烯透鏡(2)，其特征在于還包括氖燈(3)，所述氖燈(3)與直流電源(4)和電流表(5)構(gòu)成閉合回路；所述氖燈(3)的輸出端與電容器(6)、放大器(7)及示波器(8)或鎖相放大器(11)構(gòu)成閉合回路；所述斬波器(I)置于所述聚乙烯透鏡(2)之前，所述氖燈(3)置于所述聚乙烯透鏡(2)的焦點位置，所述斬波器(I)的調(diào)制信號被輸入所述示波器(8)或鎖相放大器(11)中作為參考信號。
2.如權(quán)利要求I所述的太赫茲波探測器，其特征在于所述氖燈(3)的玻璃壁的厚度為0. 3-0. 5mm,拋光光潔度小于I y m。
3.如權(quán)利要求2所述的太赫茲波探測器，其特征在于所述氖燈(3)的玻璃壁的背面貼有金屬膜或者鍍有金屬薄膜。
4.如權(quán)利要求1-3任一項所述的太赫茲波探測器，其特征在于所述氖燈(3)與所述直流電源(4)之間連接保護電阻(9)，即所述氖燈(3)與所述保護電阻(9)、直流電源(4)和電流表(5)構(gòu)成閉合回路。
5.如權(quán)利要求4所述的太赫茲波探測器，其特征在于所述電容器(6)輸出端與放大器(7)之間連接濾波器(10)，即所述氖燈(3)的輸出端與電容器(6)、濾波器(10)、放大器(7)和示波器(8)或鎖相放大器(11)構(gòu)成閉合回路。
全文摘要
一種太赫茲波探測器，包括斬波器(1)和聚乙烯透鏡(2)，其特征在于還包括氖燈(3)，所述氖燈(3)與直流電源(4)和電流表(5)構(gòu)成閉合回路；所述氖燈(3)的輸出端與電容器(6)、放大器(7)及示波器(8)或鎖相放大器(11)構(gòu)成閉合回路；所述斬波器(1)置于所述聚乙烯透鏡(2)之前，所述氖燈(3)置于所述聚乙烯透鏡(2)的焦點位置，所述斬波器(1)的調(diào)制信號被輸入所述示波器(8)中作為參考信號。本發(fā)明以價格低廉的氖燈作為探測元件，不僅降低了太赫茲波探測器的生產(chǎn)成本，而且提高了太赫茲波探測器的響應(yīng)速度，同時，響應(yīng)波段較寬，且當太赫茲電磁波的功率較高時，不會損壞探測器，也不會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。
文檔編號G01J1/42GK102721468SQ20121021308
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月26日
發(fā)明者侯磊, 施衛(wèi) 申請人:西安理工大學