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：

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，太赫茲波具有獨特的性質，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（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域都展現(xiàn)出了革命性的應用前景。

2、太赫茲技術的廣泛應用依賴于高性能的探測器。相關研究中表明可利用堿金屬原子蒸氣將太赫茲波轉換為光波以實現(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光學系統(tǒng)的高穩(wěn)定性要求和復雜程度，給光學集成帶來了較大的挑戰(zhàn)，在一定程度上限制了光學系統(tǒng)的可拓展性和集成度。

技術實現(xiàn)思路

1、本申請針對相關技術的缺點，提出一種太赫茲探測裝置，用以解決相關技術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、半導體結構、太赫茲光學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；所述半導體結構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換為第二光信號；所述半導體結構還用于接收待測的所述太赫茲信號；所述半導體結構在所述太赫茲信號的作用下將所述第一光信號轉化為第三光信號，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體結構重合；信號處理模塊用于獲取所述第二光信號轉換之后的第一電信號以及所述第三光信號轉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度。

3、在一個實施例中，所述太赫茲探測裝置還包括設置于半導體結構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體結構電連接以形成第一光電轉換結構，所述第一光電轉換結構與所述信號處理模塊電連接，所述第二光信號經(jīng)所述第一光電轉換結構轉換成所述第一電信號，所述第三光信號經(jīng)所述第一光電轉換結構轉換成所述第二電信號。

4、在一個實施例中，所述半導體結構的材質為透光材質，所述太赫茲探測裝置包括第二光電轉換結構，所述第二光電轉換結構設置于所述半導體結構遠離所述激光發(fā)射模塊的一側，所述第二光電轉換結構與所述信號處理模塊電連接，所述第二光信號經(jīng)所述第二光電轉換結構轉換成所述第一電信號，所述第三光信號經(jīng)所述第二光電轉換結構轉換成所述第二電信號。

5、在一個實施例中，所述第二光電轉換結構包括光電二極管、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波長匹配，所述目標波長為所述半導體結構激發(fā)形成里德堡激子所需的波長。

8、在一個實施例中，所述太赫茲光學模塊包括至少一個拋物面鏡和/或至少一個太赫茲透鏡，設置于所述半導體結構的一側，用于聚集太赫茲信號并使所述太赫茲信號射入所述半導體結構。

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

10、在一個實施例中，所述半導體結構的材質包括氧化亞銅、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)射模塊向半導體結構發(fā)射第一光信號，以使所述半導體結構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度；所述第三光信號由所述半導體結構在所述太赫茲信號的作用下將所述第一光信號轉化得到，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體結構重合，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體結構的固態(tài)結構制備得到太赫茲探測裝置，半導體結構可兼容半導體工藝，實現(xiàn)器件的小型化和集成化，降低器件結構的復雜程度，可拓展性強，具有較高的實用性。另外，由于半導體結構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。

技術特征：

1.一種太赫茲探測裝置，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權利要求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置于半導體結構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體結構電連接以形成第一光電轉換結構，所述第一光電轉換結構與所述信號處理模塊電連接，所述第二光信號經(jīng)所述第一光電轉換結構轉換成所述第一電信號，所述第三光信號經(jīng)所述第一光電轉換結構轉換成所述第二電信號。

3.根據(jù)權利要求1所述的太赫茲探測裝置，其特征在于，所述半導體結構的材質為透光材質，所述太赫茲探測裝置包括第二光電轉換結構，所述第二光電轉換結構設置于所述半導體結構遠離所述激光發(fā)射模塊的一側，所述第二光電轉換結構與所述信號處理模塊電連接，所述第二光信號經(jīng)所述第二光電轉換結構轉換成所述第一電信號，所述第三光信號經(jīng)所述第二光電轉換結構轉換成所述第二電信號。

4.根據(jù)權利要求3所述的太赫茲探測裝置，其特征在于，所述第二光電轉換結構包括光電二極管、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度分布的頻域信號。

6.根據(jù)權利要求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波長匹配，所述目標波長為所述半導體結構激發(fā)形成里德堡激子所需的波長。

7.根據(jù)權利要求1所述的太赫茲探測裝置，其特征在于，所述太赫茲光學模塊包括至少一個拋物面鏡和/或至少一個太赫茲透鏡，設置于所述半導體結構的一側，用于聚集太赫茲信號并使所述太赫茲信號射入所述半導體結構。

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

9.根據(jù)權利要求1所述的太赫茲探測裝置，其特征在于，所述半導體結構的材質包括氧化亞銅、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，應用于權利要求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：

技術總結
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、半導體結構、太赫茲光學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；半導體結構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換為第二光信號；半導體結構在太赫茲信號的作用下將第一光信號轉化為第三光信號；太赫茲光學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體結構重合；信號處理模塊用于獲取第二光信號轉換之后的第一電信號以及第三光信號轉換之后的第二電信號，以確定太赫茲信號的強度。可實現(xiàn)，器件的小型化和集成化程度高。

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