传统光电探测器相对光谱响应度的测量方法是采用宽光谱光源和分光系统(如单色仪), 产生单色光, 采用替代法测量得到探测器的相对光谱响应度。 但是在太赫兹波段缺乏连续可调谐的太赫兹光源以及分光系统, 因此无法采用传统测量相对光谱响应度的方法来实现对太赫兹探测器相对光谱响应度的测量。

本文中将采用反射法测量太赫兹探测器的相对光谱响应度系统, 系统主要由光源、 干涉仪、 动镜驱动、 分束器、 参考反射镜、 检测器、 放大器、 数据采集及分析等组成。 光路如图1所示, 其中系统中的光源采用的是硅碳棒, 检测器采用的是聚乙烯材质, 分束器采用的固态基质, 系统中的“ V” 型和“ W” 型反射结构固定光路, 入射角和反射角都为12° 。 测量过程首先将参考反射镜放置在测试光路中, 光源发出的包含太赫兹波的宽频带光通过Michelson干涉仪产生干涉光, 干涉光照射到参考反射镜后将光信号反射到检测器上, 当动镜在计算机控制下移动时, 干涉仪两臂光程差不断变化, 检测器探测到的光强信号也不断变化; 被放大电路放大后的干涉信号通过数据采集卡进行A/D转换并送到计算机, 得到参考反射镜的反射光谱, 再将被测太赫兹探测器放置在测试光路中, 采用相同的测试方法, 计算得到太赫兹探测器的反射光谱, 再利用反射吸收公式计算得到吸收光谱, 对吸收光谱进行归一化处理, 计算得到太赫兹探测器的相对光谱响应度。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 反射法测量太赫兹探测器相对光谱响应度原理框图 (a): “ V型” 测量光路图; (b): “ W型” 测量光路图Fig.1 Principle block diagram of measuring relative spectral response of terahertz detector by reflection method (a): “ V-type” measurement principle; (b): “ W-type” measurement principle

其中, 反射法太赫兹探测器相对光谱响应度采用“ V型” 和“ W型” 的结构来测量, 具体结构如图1所示。 采用这种结构测量的好处是测量过程中不受参考反射镜反射率的影响, 具体“ V型” 和“ W型” 的公式原理推导如下所示:

设: 参考反射镜的反射率为: f(λ ₁), 被测反射镜反射率为: f(λ ₂), f″(λ ₂)

首先采用“ V型” 测量参考反射镜时:

设入射功率为: P(λ )

则反射功率为: P(λ )· f(λ ₁)

设检测器测量的信号为: V(λ ₁)

检测器响应率为: V(λ ₁)/(P(λ )· f(λ ₁))

再采用“ W型” 接入被测量探测器后:

入射功率不变还为第一次到达被测反射镜: P(λ )

第一次反射后的功率为: P(λ )· f(λ ₂)

经过参考反射镜后的功率为: P(λ )· f(λ ₂)· f(λ ₁)

第二次到达反射镜的功率: P(λ )· f(λ ₂)· f(λ ₁)

第二次反射后的功率: P(λ )· f(λ ₂)· f(λ ₁)· f″(λ ₂)

检测器测量的信号为: V(λ ₂)

检测器响应率为: V(λ ₂)/(P(λ )· f(λ ₂)· f(λ ₁)· f″(λ ₂))

因为两次检测器的响应率相等所以

V(λ1)/(P(λ)·f(λ1))=V(λ2)/(P(λ)·f(λ2)·f(λ1)·f″(λ2))

则: V(λ ₂)/V(λ ₁)=f(λ ₂)· f″(λ ₂)

假设被测探测器面均匀:

则: V(λ ₂)/V(λ ₁)=(f(λ ₂))²

f(λ ₂)=(V(λ ₂)/V(λ ₁))^1/2

被测太赫兹探测器的相对光谱响应度为

R(λ)=(1-f(λ2))/k(1)

式(1)中, k为归一化转化因子。

从上面“ V型” 和“ W型” 的太赫兹探测器相对光谱响应度公式原理推导过程可知, 参考反射镜的反射率只是一个过程量, 因此采用该方法可以提高相对光谱响应度的测量精度。

太赫兹探测器绝对响应度测量原理如图2所示, 系统主要由CO₂泵浦气体激光系统、 衰减器、 稳功率模块、 标准太赫兹功率计、 数据采集系统、 计算机及测控软件等部分组成。 其中标准太赫兹功率计探头采用热电材料, 在300 nm~3 μ m波段范围内具有响应平坦的特性, 量值溯源到中国计量科学研究院, 确保测量过程中的量值准确可靠^{[12, 13]}。 测量过程为CO₂泵浦气体激光系统用于产生测量需要的太赫兹激光; 衰减器用于对产生的太赫兹激光输出功率进行适量衰减; 稳功率模块为了使太赫兹辐射源更加稳定, 确保太赫兹探测器响应度顺利测量; 太赫兹探测器输出信号由数据采集系统进行采集, 采集得到的数据最后送控制系统进行运算、 处理和显示, 得到测量结果。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 绝对响应度校准原理框图Fig.2 Principle block diagram of absolute response measurement

另外为了减小太赫兹激光器在测量过程中的不稳定性的影响, 在测量系统中加入了光阑、 衰减器、 稳功率系统、 太赫兹功率计等, 其中系统采用CO₂泵浦气体激光器作为光源, 其主要采用一个可调光栅CO₂激光器作为抽运源, 发出的激光进入一个充有数十Pa(帕)低气压的太赫兹腔体中, 改变低气压气体分子, 从而实现不同太赫兹波的输出。 测量时, 利用图2所示的测量系统, 将CO₂泵浦气体激光系统设定为2.52 THz波长点进行输出, 待其工作稳定。 将太赫兹功率计和被测太赫兹探测器置于导轨上, 调节太赫兹功率计和被测太赫兹探测器在导轨上的位置, 以保证太赫兹功率计与探测器的接收面中心与光路一致, 并且通过导轨就能实现太赫兹功率计和被测太赫兹探测器在太赫兹光路切换。 测量时首先将太赫兹功率计切入光路, 测量得到激光器的辐射功率, 再利用导轨将被测太赫兹探测器切入光路, 得到被测太赫兹探测器的响应电压, 通过计算公式就可以得到被测太赫兹探测器在该频率的响应率。

太赫兹探测器的响应率为

Rf=Ud-UNdPs-PNs(2)

式(2)中: R_f为被测太赫兹探测器的绝对响应率; U_d为被测太赫兹探测器的输出电压测量值; P_s为标准太赫兹功率计的输出功率; U_Nd为被测太赫兹探测器的输出背景电压测量值; P_Ns为太赫兹功率计的输出背景功率。

根据测量得到太赫兹探测器(2~10 THz)相对光谱响应度和2.52 THz绝对响应率, 转化得到整个波段的绝对光谱响应度。

水汽对太赫兹波有非常明显的连续和线吸收作用, 因此采用了干燥空气对系统进行吹扫, 以减少水汽对太赫兹探测器测量的影响, 利用采用反射法太赫兹探测器的相对光谱响应系统对相同环境温度21 ℃下, 不同湿度时, 对水汽的传输特性进行了测量。 首先是未采用干燥空气吹扫时环境下进行了测量(温度: 21 ℃, 相对湿度: 60%), 在对反射式太赫兹探测器的相对光谱响应系统连续吹扫1 h后(湿度达到10%左右)进行了测量, 测量数据如图3所示, 从图中可以看出, 水汽对太赫兹波有明显的衰减作用, 在不同环境湿度的测量时会产生不同的结果, 因此在太赫兹探测器测量过程中需要严格的控制大气的湿度。 特别是在3.3 THz波段之前, 由于本身的信号比较弱, 如果水汽较大, 将严重影响测试效果。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 水汽对太赫兹传输特性测量曲线Fig.3 Measurement curve of influence of water vapor on terahertz transmission characteristics

为了试验验证, 选用近年来国际研究发展较快的基于氧化钒微测辐射热计太赫兹探测器, 该类型的探测器是由红外探测器演变而来, 是在传感器的微桥结构上耦合金属涂层或超材料吸收天线, 提升传感器在太赫兹波段的光学吸收效率, 实现高灵敏度太赫兹探测。 选用的太赫兹探测器阵列规模为640× 512, 中心距为20 μ m。 测量时为了减小水汽对测量结果的影响, 采用了干燥空气吹扫将测试仓的环境湿度减小到10%左右再进行测量。 测量时的反射光谱如图4所示, 相对光谱响应如图5所示, 绝对响应度测量时选用2.52和4.25 THz频率点, 测量数据见表1。 并且对两个测量的绝对响应度和相对光谱响应度这两个频率点进行了相互验证, 2.52和4.25 THz绝对响应率之比为0.753, 相对光谱响应度六次测量平均值之比为0.749, 两者之差仅为0.004, 因此说明本文采用的反射法测量太赫兹探测器相对光谱响应的方法可行。 通过对测量得到的绝对响应率和相对光谱响应进行转化就可得到绝对光谱响应, 绝对光谱响应曲线如图6所示。

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 太赫兹探测器反射测量曲线Fig.4 Reflectivity measurement curve of terahertz detector

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 太赫兹探测器相对光谱响应测量曲线Fig.5 Terahertz detector relative spectral responsivity measurement curve

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 绝对响应率测量数据 Table 1 Absolute spectral responsivity measurement data f/THz responsivity/(× 106 V· W-1) Average/(× 106 V· W-1) 2.52 4.865 4.967 5.033 5.114 5.002 4.987 4.995 4.25 6.622 6.634 6.659 6.606 6.589 6.700 6.635

表1 绝对响应率测量数据 Table 1 Absolute spectral responsivity measurement data

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 太赫兹探测器绝对光谱响应测量曲线Fig.6 Terahertz detector absolute spectral responsivity measurement curve