本申請涉及太赫茲探測，具體涉及一種太赫茲探測裝置及其探測方法。

背景技術(shù)：

1、太赫茲波是電磁頻譜中頻率范圍在0.1-10thz之間的電磁波，與中紅外和微波相鄰。相比于其他電磁波，太赫茲波具有獨(dú)特的性質(zhì)，如低光子能量（毫電子伏特級別）、對許多非金屬和非極性物質(zhì)（塑料、脂肪、陶瓷等）具有良好的穿透性，以及寬廣的頻譜范圍（工作帶寬比毫米波大一個數(shù)量級）等。因此，太赫茲波在工業(yè)無損檢測、安全檢查以及寬帶無線通信等多個領(lǐng)域都展現(xiàn)出了革命性的應(yīng)用前景。

2、太赫茲技術(shù)的廣泛應(yīng)用依賴于高性能的探測器。相關(guān)研究中表明可利用堿金屬原子蒸氣將太赫茲波轉(zhuǎn)換為光波以實現(xiàn)探測。然而，由于堿金屬原子蒸氣，也即里德堡原子氣體需要密封在真空氣室中，真空氣室占據(jù)一定空間，其尺寸限制了原子器件的小型化。另外，真空氣室的加工制備和密封需適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的高穩(wěn)定性要求和復(fù)雜程度，給光學(xué)集成帶來了較大的挑戰(zhàn)，在一定程度上限制了光學(xué)系統(tǒng)的可拓展性和集成度。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本申請針對相關(guān)技術(shù)的缺點(diǎn)，提出一種太赫茲探測裝置，用以解決相關(guān)技術(shù)中太赫茲探測裝置器件的集成度難以提升、或器件難以小型化的問題。

2、本申請?zhí)峁┮环N太赫茲探測裝置，包括激光發(fā)射模塊、半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、太赫茲光學(xué)模塊和信號處理模塊。激光發(fā)射模塊用于發(fā)射第一光信號；所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)用于接收所述第一光信號，被所述第一光信號激發(fā)形成里德堡激子并使所述第一光信號轉(zhuǎn)換為第二光信號；所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)還用于接收待測的所述太赫茲信號；所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在所述太赫茲信號的作用下將所述第一光信號轉(zhuǎn)化為第三光信號，所述第三光信號與所述第二光信號不同；太赫茲光學(xué)模塊用于控制所述太赫茲信號的傳播方向并使所述太赫茲信號聚焦，以使所述第一光信號的光斑的至少部分與所述太赫茲信號的太赫茲斑在所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)重合；信號處理模塊用于獲取所述第二光信號轉(zhuǎn)換之后的第一電信號以及所述第三光信號轉(zhuǎn)換之后的第二電信號，并根據(jù)所述第一電信號及所述第二電信號確定所述太赫茲信號的強(qiáng)度。

3、在一個實施例中，所述太赫茲探測裝置還包括設(shè)置于半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)表面的第一電極和第二電極，所述第一電極和所述第二電極均與所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)電連接以形成第一光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，所述第一光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與所述信號處理模塊電連接，所述第二光信號經(jīng)所述第一光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成所述第一電信號，所述第三光信號經(jīng)所述第一光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成所述第二電信號。

4、在一個實施例中，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的材質(zhì)為透光材質(zhì)，所述太赫茲探測裝置包括第二光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，所述第二光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)置于所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離所述激光發(fā)射模塊的一側(cè)，所述第二光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與所述信號處理模塊電連接，所述第二光信號經(jīng)所述第二光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成所述第一電信號，所述第三光信號經(jīng)所述第二光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成所述第二電信號。

5、在一個實施例中，所述第二光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括光電二極管、光電倍增管、光電晶體管、ccd圖像傳感器和cmos圖像傳感器。

6、在一個實施例中，所述信號處理模塊根據(jù)所述第一電信號和所述第二電信號確定反映所述太赫茲信號強(qiáng)度分布的頻域信號。

7、在一個實施例中，所述太赫茲探測裝置還包括波長控制器，所述波長控制器與所述激光發(fā)射模塊連接，用于控制所述激光發(fā)射模塊發(fā)射的所述第一光信號的波長與目標(biāo)波長匹配，所述目標(biāo)波長為所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)激發(fā)形成里德堡激子所需的波長。

8、在一個實施例中，所述太赫茲光學(xué)模塊包括至少一個拋物面鏡和/或至少一個太赫茲透鏡，設(shè)置于所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一側(cè)，用于聚集太赫茲信號并使所述太赫茲信號射入所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

9、在一個實施例中，所述太赫茲光學(xué)模塊包括設(shè)置于所述激光發(fā)射模塊和所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)之間的拋物面鏡，所述拋物面鏡設(shè)有錐形孔，所述錐形孔的相對兩端的開口分別朝向所述激光發(fā)射模塊及所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述錐形孔用于使所述第一光信號穿過并射入所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

10、在一個實施例中，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的材質(zhì)包括氧化亞銅、砷化鎵、磷化銦、氧化銀、二氧化錫、二維材料或鈣鈦礦材料。

11、本申請還提供一種太赫茲探測裝置的探測方法，應(yīng)用于前述實施例的太赫茲探測裝置的控制器，包括：

12、控制激光發(fā)射模塊向半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)發(fā)射第一光信號，以使所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)接收所述第一光信號之后被激發(fā)形成里德堡激子并使所述第一光信號轉(zhuǎn)換為第二光信號；

13、控制所述信號處理模塊獲取所述第二光信號轉(zhuǎn)換之后的第一電信號；

14、控制所述信號處理模塊獲取所述第三光信號轉(zhuǎn)換之后的第二電信號，以使所述信號處理模塊根據(jù)所述第一電信號及所述第二電信號確定所述太赫茲信號的強(qiáng)度；所述第三光信號由所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在所述太赫茲信號的作用下將所述第一光信號轉(zhuǎn)化得到，所述第一光信號的光斑的至少部分與所述太赫茲信號的太赫茲斑在所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)重合，所述第三光信號與所述第二光信號不同。

15、本申請的有益效果包括：

16、本實施例中通過采用半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的固態(tài)結(jié)構(gòu)制備得到太赫茲探測裝置，半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可兼容半導(dǎo)體工藝，實現(xiàn)器件的小型化和集成化，降低器件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，可拓展性強(qiáng)，具有較高的實用性。另外，由于半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的里德堡激子依托于固態(tài)體系，因此具有易于固態(tài)集成的天然優(yōu)勢。

17、本申請附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變得明顯，或通過本申請的實踐了解到。

技術(shù)特征：

1.一種太赫茲探測裝置，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲探測裝置，其特征在于，所述太赫茲探測裝置還包括設(shè)置于半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)表面的第一電極和第二電極，所述第一電極和所述第二電極均與所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)電連接以形成第一光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，所述第一光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與所述信號處理模塊電連接，所述第二光信號經(jīng)所述第一光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成所述第一電信號，所述第三光信號經(jīng)所述第一光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成所述第二電信號。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲探測裝置，其特征在于，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的材質(zhì)為透光材質(zhì)，所述太赫茲探測裝置包括第二光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，所述第二光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)置于所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離所述激光發(fā)射模塊的一側(cè)，所述第二光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與所述信號處理模塊電連接，所述第二光信號經(jīng)所述第二光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成所述第一電信號，所述第三光信號經(jīng)所述第二光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成所述第二電信號。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的太赫茲探測裝置，其特征在于，所述第二光電轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包括光電二極管、光電倍增管、光電晶體管、ccd圖像傳感器和cmos圖像傳感器。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲探測裝置，其特征在于，所述信號處理模塊根據(jù)所述第一電信號和所述第二電信號確定反映所述太赫茲信號強(qiáng)度分布的頻域信號。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲探測裝置，其特征在于，所述太赫茲探測裝置還包括波長控制器，所述波長控制器與所述激光發(fā)射模塊連接，用于控制所述激光發(fā)射模塊發(fā)射的所述第一光信號的波長與目標(biāo)波長匹配，所述目標(biāo)波長為所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)激發(fā)形成里德堡激子所需的波長。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲探測裝置，其特征在于，所述太赫茲光學(xué)模塊包括至少一個拋物面鏡和/或至少一個太赫茲透鏡，設(shè)置于所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的一側(cè)，用于聚集太赫茲信號并使所述太赫茲信號射入所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

8.根據(jù)權(quán)利要求1的太赫茲探測裝置，其特征在于，所述太赫茲光學(xué)模塊包括設(shè)置于所述激光發(fā)射模塊和所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)之間的拋物面鏡，所述拋物面鏡設(shè)有錐形孔，所述錐形孔的相對兩端的開口分別朝向所述激光發(fā)射模塊及所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，所述錐形孔用于使所述第一光信號穿過并射入所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲探測裝置，其特征在于，所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的材質(zhì)包括氧化亞銅、砷化鎵、磷化銦、氧化銀、二氧化錫、二維材料或鈣鈦礦材料。

10.一種太赫茲探測裝置的探測方法，應(yīng)用于權(quán)利要求1~9任一項所述的太赫茲探測裝置的控制器，其特征在于，包括：

技術(shù)總結(jié)
本申請?zhí)峁┮环N太赫茲探測裝置及其探測方法。該太赫茲探測裝置包括激光發(fā)射模塊、半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、太赫茲光學(xué)模塊和信號處理模塊。激光發(fā)射模塊用于發(fā)射第一光信號；半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)用于接收第一光信號，被第一光信號激發(fā)形成里德堡激子并使第一光信號轉(zhuǎn)換為第二光信號；半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在太赫茲信號的作用下將第一光信號轉(zhuǎn)化為第三光信號；太赫茲光學(xué)模塊用于控制太赫茲信號的傳播方向并使太赫茲信號聚焦，以使第一光信號的光斑的至少部分與太赫茲信號的太赫茲斑在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)重合；信號處理模塊用于獲取第二光信號轉(zhuǎn)換之后的第一電信號以及第三光信號轉(zhuǎn)換之后的第二電信號，以確定太赫茲信號的強(qiáng)度?？蓪崿F(xiàn)，器件的小型化和集成化程度高。

技術(shù)研發(fā)人員：孫洪波,方紅華,周沄科,龍象
受保護(hù)的技術(shù)使用者：清華大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/26