摘 要：太赫兹波具有瞬态性、宽带性、穿透性和低能性等独特的性质，在材料研究、信息传输、环境检测、国土安全、医疗健康等方面有着非常广阔的应用前景。作为应用的关键，太赫兹探测器因此得到了各国研究人员的极大重视。本文重点介绍了太赫兹的探测技术并对其进行总结和分类，并在此基础上分析了太赫兹探测器的发展趋势。
关键词：太赫兹；探测器
太赫兹波（简称THz）的波长在0.03～3mm、频率在0.1～10THz范围内。相对于其他波段来说，太赫兹波具有独特的优势。例如，太赫兹波的低能性使其能够用于无损检测；强穿透性使得直接探测物品内部信息成为可能。但是长期以来，由于太赫兹发射源和太赫兹探测技术的匮乏使得人们并未充分利用太赫兹技术的优势。对于太赫兹探测器来说，其探測的主要难度主要在于太赫兹光子能量低使得易于收到背景噪声的影响。从上世纪80年代起，随着一系列新技术和新材料的发展，太赫兹技术从此得以快速发展。
1 太赫兹探测技术的分类
1.1 相干探测技术
相干探测的优势在于灵敏度高、频谱分辨率高，其劣势在于结构比较复杂、成本高，主要有光电导天线采样法、自由空间电光采样法和外差法。光电导天线采样法是利用光电导天线可以探测太赫兹脉冲，得到太赫兹脉冲的时域波形和频谱[1]。其原理是使用半导体光电导天线作为太赫兹接收元件，探测激光脉冲照射到光电导天线的光电导间隙时激发光生载流子，如果恰好太赫兹源发出的脉冲电场入射到天线的表面，就会将载流子驱向天线的两极形成电势差，使得外接的电流指示器产生相应示数。目前最常用的光导天线是在低温生长的砷化镓上制作的[2]，光电导天线探测器的最大带宽约为 2THz。自由空间电光采样法：其探测原理是利用探测光与太赫兹辐射所激发的线性电光效应[3]。太赫兹波经过电光晶体引起电光晶体折射系数的变化使得线偏振的探测光产生相位延迟，相位延迟的程度和太赫兹脉冲强度成正比。常用的电光晶体有ZnTe，ZnSe，CdTe，GaP等[4]。电光晶体探测器克服了光生载流子寿命的限制，带宽约为 10 THz[5]。外差法需要通过一个具备非线性伏安特性的混频器来进行，将本征振荡信号和待测太赫兹信号进行混频，将待测信号的频率搬移。通过把难以处理的高频信号转换为易于处理的低频信号后，再对搬移后的低频信号进行放大和测量[6]。目前，太赫兹波段常用的混频检测器主要有室温肖特基二极管混频器、超导SIS混频器和热电子辐射热计混频器三种[7]。
1.2 非相干探测技术（直接探测）
非相干探测仅能测量太赫兹波强度，其系统结构简单，便于微型化。非相干探测技术是利用光学系统将太赫兹信号汇集到探测器上，引起探测器的基质材料某个物理特性的变化，再把这个特性的变化转化为电信号的变化，最后经放大后读出。主要包括测辐射热计、热释电探测器、Golay cell探测器、太赫兹量子阱探测器（THz QWP）。测辐射热计是利用光敏感材料吸收太赫兹辐射后引起温度发生变化使得其电阻发生相应的改变而完成对目标THz波的探测[8]。热释电探测器的工作原理是利用热释电材料的极化率随温度的变化制备的一种热敏型探测器。将一块热电晶体夹在两个金属电极之间，其中上层电极作为一个在探测波段透明的辐射吸收体，使得吸收辐射后引起热释电材料温度上升来改变晶体的极化率从而产生极化电流，通过检测极化电流的变化就可以得到太赫兹辐射强度的变化[9]。Golay cell探测器是一种响应带宽从毫米波到红外线的气体传感辐射探测器[10]。太赫兹波照射进入射窗口后被吸收薄膜吸收，吸收的辐射能量加热气体室中的气体并发生膨胀，通过其后端面上的反射镜发生偏转导致反射光在探测器上的位置发生改变[11]。太赫兹量子阱探测器由上电极层、多量子阱层和下电极层构成[12]。在无电磁波的条件下，电子会被束缚在量子阱中，此时器件处于高阻状态。在有电磁波的条件下，束缚电子会吸收太赫兹光子发生子带跃迁，电子进入准连续态或连续态，在外加偏压下形成光电流使得器件处于低阻状态，从而实现对太赫兹辐射的探测。
1.3 等离子体波太赫兹探测器
等离子体波太赫兹探测器是最近几年发展形成的一种连续可调探测器[13]，它的原理是利用太赫兹辐射引起晶体管导电沟道中的等离子体激发，受激发的等离子体波能够与太赫兹波发生共振，并在电荷输运中表现为光电流或光电压，从而获得太赫兹信号的信息。
2 结语
本文对现有的太赫兹探测方式进行了分类，并分析了不同探测方式的优势。总体来讲，相比较于相干探测方式，非相干探测方式具有系统简单、易于集成化的优势。然而，非相干探测方式面临的最大问题就是响应时间较慢。近年来，基于等离子体波太赫兹探测器展现出极大的优势，尤其是在响应时间与探测灵敏度方面。随着太赫兹技术的广泛应用，室温、高效、高灵敏、易集成的太赫兹探测器势必将是今后发展的重要方向。
参考文献：
[1]李铁元，娄采云，王黎，黄缙，赵国忠，石小溪. 2009低温生长砷化镓光电导天线产生太赫兹波.中国激光，36（4），978-982.
[2]田震.宽带THz波的光谱整形及Kerr效应对THz波探测的影响[D].天津大学，2007.
[3]金飚兵，单文磊，郭旭光，秦华.2013物理，2013 42（11）：770-780.
[4]宋淑芳.激光与红外，2012，42（12）：1367-1371.
[5]陈龙超.2012 光电导太赫兹器件关键问题及应用研究[D].中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）.
[6]王祖英.石墨烯太赫兹探测器的设计与加工关键技术[D].重庆大学，2014.
[7]罗振飞，周逊，李赜宇，等.基于氧化钒热敏特性的太赫兹探测器[J].太赫兹科学与电子信息学报，2013，11（3）：328-331.
[8]谢佳林.2015 基于钽酸锂晶体的热释电太赫兹探测系统的设计[D].电子科技大学.
[9]Golay M J 1949 Review of Scientific Instruments 20（11）816-820.
[10]蒋呈阅.基于铌酸锂晶体参量过程产生与探测太赫兹波[D].华中科技大学，2013.
[11]郭旭光，顾亮亮，符张龙，等.太赫兹量子阱探测器研究[J].激光与光电子学进展，2015，52（9）：285-291.
[12]孙建东.2012 室温高灵敏度场效应自混频太赫兹波检测器[D].北京：中国科学院研究生院.
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