第二节　太赫兹探测器

由于太赫兹脉冲是非常快的电场信号，一个太赫兹脉冲的典型波长大概在皮秒量级，常用的光电探测设备没有这么快的响应，难于探测太赫兹脉冲信号，因此需要研制专门的太赫兹探测设备。太赫兹探测技术可分为太赫兹光谱探测和直接探测两类，太赫兹光谱探测能够实现太赫兹脉冲信号和光谱的探测，而直接探测通常只能探测太赫兹辐射的功率和能量。太赫兹光谱探测通常基于飞秒激光泵浦-探测方法来实现，光电导天线探测法和电光采样探测法的是两种目前最常用的太赫兹光谱相干探测方法，而基于气体等离子体的ABCD相干探测及基于傅里叶变换光谱的非相干太赫兹探测是另两种可以采用的太赫兹光谱探测技术；另外，外差式太赫兹探测是一种对频率较低的太赫兹波的窄带光谱探测方法。以上这些方法都不能实现太赫兹波的瞬态探测，而太赫兹脉冲单次探测技术能够实现对单个太赫兹脉冲的瞬态探测，具有重要的应用价值。太赫兹直接探测主要包括辐射热计、热释电探测器、高莱管以及肖特基二极管等。

一、太赫兹光谱探测

（一）光电导天线

基于光电导天线的太赫兹探测是目前常用的太赫兹光谱探测方法［27］，它最重要的一个优势在于可以容易地实现光纤集成，从而实现紧凑型的全光纤太赫兹光谱系统；而其缺点在于由于受到载流子寿命的限制，其探测带宽一般都较窄。

光电导天线太赫兹探测可以说是光电导天线产生太赫兹波的逆过程，其基本原理为：当飞秒激光探测脉冲照射到光电导天线的电极上，在其中会产生瞬间载流子；太赫兹脉冲在同一时间照射到电极上的同一位置，产生的载流子就会在作为偏置电场的太赫兹波的作用下做加速运动而形成光电流，通过测量不同采样时刻产生的光电流信号大小，再采用锁相放大器对太赫兹脉冲进行平均，就可以获得太赫兹电场强度的时间波形，再通过傅里叶变换就可以获得太赫兹波的光谱和相位信息。

（二）电光采样

电光采样太赫兹探测技术兼具高灵敏度、高信噪比、宽探测带宽的优点［28］，是目前在太赫兹光谱探测中应用较为广泛的探测技术。

电光探测技术基于泡克耳斯（Pockets）效应，通过探测太赫兹波引起的电光晶体折射率改变来探测太赫兹波形，其基本原理为：使探测飞秒激光和太赫兹脉冲共线经过电光晶体，根据晶体的泡克耳斯效应，太赫兹脉冲电场会改变晶体的折射率椭球，通过测量被太赫兹波改变的探测飞秒激光的偏振态来获得太赫兹波的时域电场波形。具体如图1-1-7所示，偏振分束棱镜的作用是使两种不同偏振态的光分离，平衡光电二极管的作用是检测两光电二极管探头输入的光强差，并输出相应的电压值。探测调节时，首先在没有太赫兹波输入晶体的条件下，转动1/4波片，使平衡光电二极管的输出为零，即两种偏振态的光强相同，也就是探测光偏振方向与1/4波片轴向夹角为45°，输出圆偏振光。保持各光学元件的角度不变，在有太赫兹波输入时，由于线性电光效应使电光晶体的折射率发生改变，从而使探测光的偏振态发生改变，因此经由1/4波片的出射光就变成椭圆偏振光。椭圆偏振光经偏振分束棱镜分束后，得到的两种偏振态的光强不同，它们的差值正比于折射率椭圆长短轴的差，也就正比于太赫兹波强度。两路光强的差值可由平衡光电二极管探测，其输出值的大小就代表此时的太赫兹波的电场强度。同样通过锁相放大器进行平均，再探测不同时刻的太赫兹电场强度就可以获得太赫兹脉冲波形。

（三）气体等离子体ABCD探测

气体等离子体ABCD（air-biased-coherent-detection）探测是另一种太赫兹光谱相干探测技术［29］，不同于光电导天线探测带宽受限于载流子寿命，而电光采样方法受限于电光晶体的非线性性质，ABCD探测具有更宽的探测带宽，但通常这种方法需要较强的飞秒激光来电离气体，并且与产生方式类似，由于也采用气体等离子体作为工作介质，其太赫兹脉冲强度的探测稳定性也存在问题。

ABCD探测的原理可以用气体等离子产生太赫兹波的逆过程来描述，当高能飞秒基频光电离气体产生等离子后，基频光和太赫兹脉冲在等离子中发生四波混频，产生的倍频光的电场强度可以表示为式1-1-8：

其中，χ（3）是三阶极化率，Eω（t）和E2ω（t）是基频光和倍频光的电场强度，ETHz（t）是太赫兹电场强度，φ是相移。可以看到，倍频光的电场强度正比于太赫兹电场强度，因此通过探测倍频光的电场强度就可以得到太赫兹时域脉冲信号。

（四）迈克尔逊干涉太赫兹探测

迈克尔逊干涉太赫兹探测同样可以获得太赫兹波的光谱信号，并且理论上其探测带宽不受限制［18］。其基本原理如图1-1-8所示，太赫兹脉冲经过迈克尔逊干涉系统，利用高阻硅片作为分束镜将太赫兹脉冲分成光强比近似为1∶1的两束光，从两个反射镜反射回来的太赫兹脉冲再次通过高阻硅后再通过抛面镜聚焦在探测器（通常为高莱管）上，探测器与锁相放大器相连再接入计算机，移动动镜改变两束太赫兹脉冲的光程差，从而获得太赫兹脉冲的时域相关信号，再通过傅里叶变换获得太赫兹波的频域信号。

（五）太赫兹脉冲单次探测

以上提到的所有太赫兹脉冲探测方式都无法实现对太赫兹脉冲的瞬态探测。例如，光电导天线法和普通的电光采样法都需要连续改变飞秒探针光与THz脉冲间的相对位置来获得完整的THz脉冲电场（因此也叫时间扫描法），实际上获得的是多次测量后的平均波形。这种方法优点是信噪比高、探测精度好，缺点是探测时间长，往往需要几分钟甚至十几分钟才能完成一次探测，因此不能适用于瞬态物理过程测量或需要实时测量的应用场合。为解决这一问题，人们发展了所谓的“太赫兹脉冲单次探测技术”。

1998年张希成等首次提出了基于啁啾脉冲光谱仪的太赫兹脉冲单次探测技术［30］。该方法仍然利用电光晶体的泡克耳斯效应，首先将作为探测光的飞秒激光脉冲脉宽由几十飞秒展宽至几十皮秒，再使其与太赫兹脉冲共线传播经过电光晶体及偏振器，最后用光谱仪将经太赫兹电场调制的啁啾脉冲在空间展开并用CCD记录，即可一次获得太赫兹脉冲时间波形。但其时间分辨率无法与传统的时间扫描测量法相比，并且测得的太赫兹脉冲信号存在一定的畸变。

基于倾斜飞秒激光脉冲前沿的太赫兹脉冲单次探测技术能够很好地解决分辨率和畸变问题［31］。它采用光栅等将单个探测飞秒激光的波束前沿倾斜为一定角度，经过成像透镜成像到ZnTe晶体上；从太赫兹源出射的太赫兹波经离轴抛物面镜聚焦并经ITO玻璃反射后进入ZnTe探测晶体。探测光的偏振被太赫兹电场发生调制，随后使用检偏器（PBS）进行分光，并使用第二透镜放大成像到CCD相机上。探测飞秒脉冲的倾斜波前的不同部分会在不同时刻到达晶体，并对应于太赫兹脉冲的不同时刻电场，由CCD相机采集到的二维图像的横向对应着不同的时延，对此二维图形进行处理即可得到太赫兹脉冲单次测量数据。这种探测方式的探测时间长度与探测飞秒光的倾斜角度有关，能够获得较高的光谱分辨率，并且探测的太赫兹脉冲信号没有畸变问题。

二、太赫兹直接探测

（一）太赫兹辐射热计

辐射热计（即Bolometer）是一种量热探测器，它利用热敏电阻在受到热辐射时的阻值变化来测量辐射强度［32］。其工作原理为：用一根电阻将一热源和吸收体连接起来，然后对吸收体施加一定功率的偏置电场，这时如果吸收体接收到THz辐射信号，吸收体的温度会高于热源温度，若保持偏置功率不变，当THz信号功率发生变化时，电阻温度会发生相应改变，由此可通过测量电阻来实现功率测量。辐射热计工作频率范围可覆盖整个THz波段，响应时间为ms量级，其噪声等效功率是THz波段直接探测器中最高的，可达10～15W/Hz1/2。其主要缺点是受背景热噪声影响较大，必须在低温环境下工作（一般在1.6K左右），且体积庞大，搬运不便。目前已有一种微型辐射热计（即Micro-Bolometer）研制成功，虽然噪声等效功率比普通辐射热计高，但可实现常温工作，并且极大地缩小了体积。

（二）太赫兹热释电探测器

热释电探测器（即pyroelectric detector）是利用热释电材料的自发极化强度随温度变化的效应（热释电效应）制成的一种热敏型红外探测器。由于热释电效应是由晶体温度变化引起的，在晶体温度达到平衡后，电势差会由于体内电荷的重新分布而抵消掉，所以热释电探测器不能探测持续的辐射，只能用来探测辐射的变化。热释电探测器探测范围也可覆盖整个THz波段，可常温工作，但响应时间较慢，约数十毫秒，另外探测灵敏度较差，其噪声等效功率只有约10−9W/Hz1/2。目前热释电探测器已实现商业化生产。

（三）高莱管

高莱管（Golay cell）是一种根据热膨胀探测辐射原理制成的辐射功率计［33］。它的工作单元是一个封闭的小气室，该气室的一面由一片薄膜构成，当气室中的气体吸收辐射发生热膨胀时，会引起薄膜的形变，通过测量该形变即可推算辐射的功率。高莱管探测范围也可覆盖整个THz波段，能常温工作，响应时间与热释电探测器相当，但探测灵敏度稍高，约为10−10W/Hz1/2。高莱管的缺点是对振动比较敏感，一般需要防震封装。目前高莱管已实现商业化生产。

（四）肖特基二极管

肖特基二极管通常也称肖特基势垒二极管（即Schottky barrier diodes，简称SBD），是一种低功耗、超高速半导体器件［34，35］。肖特基二极管不同于普通的基于PN结的半导体探测器，它是以贵金属为正极，以N型半导体为负极，利用两者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属-半导体器件。肖特基二极管通常采用外差式探测，即需要一个本地THz源，先将待测信号与该本地源混频，对信号进行频率下转换后再进行放大探测。肖特基二极管外差工作的频率由本地振荡器决定，噪声等效功率可达10−19W/Hz1/2。小接触面的GaAs肖特基势垒二极管也可进行THz波的直接探测，其工作频率通常小于1.8THz，噪声等效功率约10−10W/Hz1/2。肖特基二极管已实现商业化生产。

（五）太赫兹面阵探测器

将多个太赫兹探测小单元集成为太赫兹面阵探测器，或者可称为太赫兹相机，就可以实现太赫兹面阵成像。相对于利用单个太赫兹探测单元进行点扫描太赫兹成像，利用太赫兹面阵探测器进行面阵成像具有单幅图像像素点多、成像速度快、可以实时成像的优点，但太赫兹面阵探测器造价远高于单元探测器，且探测灵敏度还有待进一步提高。目前，国外已有比较成熟的商业化太赫兹面阵探测器，例如，日本NEC公司的IRV-T0831C太赫兹面阵探测器、美国OPHIR Photonics公司的Pyrocam系列太赫兹面阵探测器等。

（钟森城　刘乔　朱礼国）