基于塞貝克效應的高響應度太赫茲探測器的研究

張 鵬，董 杰，韓順利，吳 斌，曹乾濤

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基于塞貝克效應的高響應度太赫茲探測器的研究

張 鵬，董 杰，韓順利，吳 斌，曹乾濤

（中國電子科技集團公司第四十一研究所 電子測試技術重點實驗室，山東 青島 266555）

針對微弱太赫茲激光功率的測試需求，本文研究一種可以提高太赫茲探測器響應度的方法。采用反射式太赫茲時域光譜分析儀測試太赫茲激光吸收材料的吸收率，選擇吸收率高的材料作為太赫茲激光的吸收材料；使用直流磁控濺射技術在太赫茲激光吸收材料底部均勻的鍍上一層金薄膜；利用具有高導熱率和高粘接強度的固化液體硅膠把太赫茲激光吸收材料與熱電堆的熱端粘接在一起，并把熱電堆的冷端與熱沉緊密粘貼。理論分析和實驗結果表明此方法有效提高了熱電堆的熱電轉換率和吸收材料對太赫茲激光的吸收率，從而使太赫茲探測器的響應度提升了7.9%。因此，本文研制的太赫茲探測器在0.1THz～10THz范圍內，能夠實現微瓦量級太赫茲激光功率的測試。

太赫茲探測器；太赫茲激光；響應度；塞貝克效應

0 引言

隨著太赫茲技術的發展，對太赫茲激光的功率進行測試越來越重要[1-3]。目前，能夠在0.1THz～10THz范圍內實現太赫茲激光功率測試的探測器主要是熱電探測器[4-6]，比如熱電堆探測器、熱釋電探測器和輻射熱計。由于熱電堆探測器是非制冷型探測器，并且可以直接測試連續激光功率。因此，與熱釋電探測器和輻射熱計相比，熱電堆探測器在太赫茲領域具有更廣泛的應用。例如，熱電堆探測器在激光測量、熱量計和太赫茲激光功率溯源中已經得到應用[7-8]。

熱電堆探測器一般由吸收材料、熱電堆和熱沉組成，吸收材料直接決定了熱電堆探測器的工作波長范圍，它的太赫茲激光吸收率對熱電堆探測器的靈敏度也有著重要的影響。雖然大部分黑體材料在可見光波段和紅外波段具有較好的吸收率，但是在太赫茲波段具有較高的反射率[9]，這也是太赫茲熱電堆探測器研制的難點。目前，NIST（National Institute of Standards and Technology）和中國計量科學研究院已經研制了具有較高吸收率的太赫茲激光吸收材料。NIST采用的吸收材料是垂直排列碳納米管陣列（Vertically aligned carbon nanotube array, VANTA），VANTA質地松軟，不能碰觸，不僅在如何把VANTA從硅基底上轉移到熱電堆上面存在巨大挑戰[10]，而且在減小VANTA與熱電堆之間的空隙方面也存在著很大的難題，成品率較低，只適合實驗研究，不利于工程化應用。中國計量科學研究院采用SiC微粒和3M粉末結合的混合物作為太赫茲激光吸收材料，通過噴射的方式把吸收材料覆蓋到熱電堆上面[9]，吸收材料厚度的均勻性難以保障，從而影響了太赫茲探測器的均勻性。另外，雖然NIST和中國計量科學研究院采用的吸收材料對太赫茲激光的吸收率較高，但是他們研制的太赫茲探測器的響應度分別是98mV/W、172mV/W，相對較低，不利于微弱太赫茲激光功率的測試。

針對工程化應用和微弱太赫茲激光功率測試的需求，本文提出一種易于制作、具有高響應度的太赫茲探測器。

1 太赫茲吸收材料的光譜分析

針對現有的太赫茲激光吸收材料轉移到熱電堆上面存在的困難，本文提出采用反射型太赫茲時域光譜分析儀（THz-TDS）研究硬度高、膨脹系數小的中性玻璃或Si在太赫茲波段的吸收性能。反射型太赫茲時域光譜分析儀的原理圖如圖1所示[9]，飛秒激光器發出的飛秒脈沖激光經分束鏡分成兩路，一路是泵浦光，另一路是探測光，半波片（HWP）可以調節兩束光的能量分配。泵浦光入射到光電導天線（PCA）產生太赫茲脈沖激光，太赫茲脈沖激光經過拋物反射鏡、半透射反射鏡、會聚透鏡入射到待測樣品，一部分太赫茲脈沖激光被樣品吸收，另一部分發生反射；反射的太赫茲脈沖激光通過半透射反射鏡與拋物反射鏡之后會聚到ZnTe晶體。探測光經過光學延遲線之后到達ZnTe晶體，與太赫茲脈沖激光耦合。由于太赫茲電場能夠調制ZnTe晶體的雙折射，從而改變探測光的偏振態。依據此特性，使用探測器監測探測光偏振態的變化，就可以實現太赫茲脈沖激光的振幅和相位信息的測試。通過掃描光學延遲線，改變探測光與太赫茲脈沖激光之間的時間延遲，就可以獲得整個太赫茲脈沖的時域波形。為了避免空氣中的水蒸氣對太赫茲脈沖激光的吸收，太赫茲時域光譜分析儀需要工作在真空環境中。

圖1 反射型太赫茲時域光譜分析儀

金在太赫茲波段具有很高的反射率[11]，可以用于制作太赫茲時域光譜分析儀中的標準反射板。為了獲得準確的測試結果，標準反射板與吸收材料的尺寸需要一致，每次測試時都要把標準反射板與吸收材料放在相同的位置處。首先把標準反射板放入待測樣品處，使用THz-TDS多次測量標準反射板的反射頻譜，并把它作為參考頻譜；其次把中性玻璃和硅依次放入待測樣品處，多次測量吸收材料的反射頻譜；最后把吸收材料的反射頻譜的平均值與參考頻譜的平均值相除，獲得吸收材料在太赫茲波段的反射率，如圖2所示。經多次實驗驗證，本實驗使用的THz-TDS具有良好的重復性。

圖2 吸收材料的反射率

中性玻璃的光學密度OD與透過率之間的關系是：

本文研究制作的吸收材料厚度是1.5mm，中性玻璃的光學密度是6.0，根據光學密度與透過率的關系，透過吸收材料的太赫茲激光寥寥無幾，可以忽略。因此，從中性玻璃和硅在太赫茲波段的反射率測試結果可以看出，中性玻璃在太赫茲波段的反射率相對較低，則吸收率較高。

2 太赫茲探測器設計

太赫茲的波段范圍通常是0.1THz～10THz，光譜范圍非常寬。由于熱電堆探測器在常溫下能夠響應連續激光，并且在寬波段具有較好的光譜平坦性，因此本文主要對工作在太赫茲波段的熱電堆探測器進行設計。本文設計的熱電堆探測器主要由太赫茲激光吸收材料、熱電堆和熱沉組成，結構如圖3所示。

圖3 太赫茲熱電堆探測器結構圖

為了提高熱電堆的熱電轉換率，本文設計的熱電堆由66對串聯的熱電偶、基板、導流片組成，如圖4所示。每個熱電偶是基于Seebeck效應實現熱電轉換的，它由P型和N型熱電晶棒組成，P型和N型熱電晶棒一端焊接在同一個導流片上，另一端焊接在不同的導流片上，與其他熱電偶串聯連接。以Bi-Te為基的熱電材料具有較高的Seebeck系數、導電率以及較低的導熱率[12]，從而使以Bi-Te為基的P型和N型熱電晶棒制作的熱電偶具有很好的Seebeck效應，因此本文選擇以Bi-Te為基的P型和N型熱電晶棒制作熱電偶。氧化鋁陶瓷硬度大、并且具有較好的導熱絕緣性能，是作為熱電堆基板的較佳選擇。熱沉主要是使熱電堆的冷端與環境溫度保持一致，因此需要熱沉具有較好的導熱率。銅、鋁等金屬一般具有較好的導熱率，為了兼顧探測器的重量，本文采用鋁制作熱沉。

圖4 熱電堆結構圖

與硅相比，中性玻璃在太赫茲波段具有更高的吸收率，因此本文選擇中性玻璃作為太赫茲激光的吸收材料。為了減小漫反射對太赫茲激光測試的影響，中性玻璃的光學表面進行拋光處理。太赫茲激光的光斑大小是有限的，當太赫茲激光入射到中性玻璃某一位置時，該處的吸收材料溫度高于周圍，則只有激光入射位置局部的熱電偶產生Seebeck效應，不能很好地發揮其余熱電偶的性能。為了解決這種現象，提升熱電堆的整體Seebeck效應，本文根據金具有較好導熱率的特性，使用磁控濺射技術在中性玻璃底面均勻的鍍上一層薄金，如圖5所示。在中性玻璃底面鍍金有兩個作用：①使中性玻璃吸收的熱量在熱電堆熱端均勻的擴散，讓每對熱電偶都能產生Seebeck效應，提高熱電轉換率；②使透過中性玻璃的少量太赫茲激光重新反射回中性玻璃，再次被吸收，進一步提高中性玻璃對太赫茲激光的吸收率。這兩種作用都是使熱電堆探測器在入射太赫茲激光功率相同時，能夠輸出更大的電壓信號，提高太赫茲探測器的響應度。

圖5 鍍金的中性玻璃

中性玻璃、熱電堆和熱沉制作完畢之后，需要采用高導熱率和高粘接強度的固化液體硅膠把中性玻璃粘貼在熱電堆熱端，同時把熱電堆的冷端粘貼在熱沉上面，圖6是本文設計的太赫茲探測器實物圖。在粘貼時，對硅膠厚度的均勻性要求較高，否則會影響太赫茲探測器的均勻性。為了解決硅膠均勻粘接的問題，本文把涂有硅膠的中性玻璃和熱電堆放在勻膠機上，實現硅膠的均勻化處理。

圖6 太赫茲探測器實物圖

熱電堆探測器的零點輸出易受環境溫度的影響，為了降低環境溫度變化引起的零點漂移，本文使用兩個性能基本相同的熱電堆探測器通過差分方式連接，一個用于接收太赫茲激光，另一個用于接收環境輻射。把差分方式連接的熱電堆探測器和單個熱電堆探測器同時放入環境試驗箱中，在0℃～40℃的環境中，測試熱電堆探測器的零點輸出，測試結果如圖7所示。

圖7 熱電堆探測器的零點輸出與溫度關系

從圖中可以看出，單個熱電堆探測器的零點輸出隨溫度變化波動較大，輸出的平均噪聲是3.76mV；差分方式連接的熱電堆探測器的零點輸出隨溫度變化相對平緩，輸出的平均噪聲是0.49mV。實驗結果表明，與單個熱電堆探測器相比，本文設計的差分方式連接的熱電堆探測器的零點輸出更穩定、噪聲更小。

3 實驗結果與分析

為了驗證本文設計的太赫茲探測器的性能，建立了如圖8所示的測試裝置。實驗使用的太赫茲激光器是FIRL 100激光器，它包含CO2泵浦激光器和結構緊湊的FIR激光室，通過改變選定分子氣體的發射譜線，以及用CO2泵浦激光激勵分子氣體，可以使太赫茲激光器發射的激光在0.25THz～7.5THz范圍內可調。FIRL 100激光器發出的太赫茲激光經過太赫茲半透射反射鏡之后分成兩束，一束太赫茲激光進入功率控制系統，控制輸出的太赫茲激光功率的穩定；另一束太赫茲激光經過太赫茲衰減片之后入射到太赫茲輻射計或待測太赫茲探測器。太赫茲輻射計已經與德國PTB（Physikalisch Technische Bundesanstalt）的太赫茲激光功率定標裝置進行了對比，在0.3THz～10THz的測量不確定度是5%（＝2）。

圖8 太赫茲探測器的響應度測試裝置

在實驗過程中，設定FIRL 100激光器的參數，使其輸出波長是2.52THz的激光。首先使用太赫茲輻射計測試太赫茲激光的功率值；其次把待測太赫茲探測器移入光路，使太赫茲探測器的光敏面與太赫茲輻射計的光敏面位置相同；最后記錄太赫茲探測器的輸出電壓。為了驗證本文設計的太赫茲探測器具有更高的響應度，本文設計了兩種太赫茲探測器，一種太赫茲探測器的中性玻璃底面未鍍金，另一種太赫茲探測器的中性玻璃底面鍍金。根據上述實驗步驟，將太赫茲輻射計、未鍍金的太赫茲探測器、鍍金的太赫茲探測器依次移入光路，測量的太赫茲激光功率是39mW，未鍍金太赫茲探測器與鍍金太赫茲探測器的輸出電壓分別是13.34mV、14.39mV，則兩種太赫茲探測器的響應度分別是342mV/W、369mV/W。由此可知，與未鍍金的太赫茲探測器相比，鍍金的太赫茲探測器的響應度提高了7.9%。

實驗結果表明，在中性玻璃底面鍍金可以使熱量在熱電堆熱端擴散，增加了熱電偶的利用率，從而提高熱電堆的熱電轉換率，使其在入射激光功率相同時輸出更大的電壓，符合理論分析。

通過調節太赫茲衰減片的衰減值，使入射到本文設計太赫茲探測器的功率在50mW～60mW等間隔變化，測試的線性度小于1%。當入射太赫茲激光功率是50mW時，電壓表測試的太赫茲探測器的輸出電壓是18.6mV，因此本文設計的太赫茲探測器能夠實現微瓦量級太赫茲激光功率的測試。另外，本文使用PL5激光器（10.6mm）測試了太赫茲探測器的損傷閾值能夠達到30W/cm2。

為了驗證本文設計的太赫茲探測器對太赫茲波的測試性能，本文搭建了太赫茲波測試裝置，如圖9所示。太赫茲信號發生器由AV1461微波合成信號發生器和AV82406A太赫茲倍頻模塊組成，太赫茲功率計由AV2434微波功率計和W8486A波導功率傳感器組成，太赫茲功率計在75GHz～110GHz的測量不確定度是3.5%（＝2）。設置太赫茲信號發生器的參數，使其輸出頻率是0.1THz、輸出功率是微瓦量級，太赫茲功率計測試的功率值是46mW時，本文設計的太赫茲探測器的輸出電壓是11.7mV，則它在0.1THz的響應度是254.3mV/W。

圖9 太赫茲波測試裝置

在太赫茲波測試實驗中，太赫茲信號發生器的輸出端口是WR10波導，太赫茲功率計的輸入端口也是WR10波導，它們之間通過波導組成閉環連接，損耗小。然而，使用本文設計的太赫茲探測器測試太赫茲信號發生器的輸出功率時，太赫茲探測器與太赫茲信號發生器輸出端口之間存在一定的空隙，對太赫茲波的傳輸損耗較大。因此，本文設計的太赫茲探測器在0.1THz的響應度比2.52THz的響應度小。

4 結論

本文選擇硬度高、膨脹系數小的中性玻璃作為太赫茲激光的吸收材料，太赫茲時域光譜分析儀的測試結果表明中性玻璃在太赫茲波段具有較好的吸收率。通過對中性玻璃的兩個表面進行光學拋光以及在底面均勻的鍍一層金，不僅可以減小中性玻璃的漫反射，而且提高了熱量傳遞的面積。此舉可以有效增加熱電堆的熱電轉換率，提高太赫茲探測器的響應度，在2.52THz使其達到369mV/W，提升了7.9%。因此，本文研制的太赫茲探測器能夠實現微瓦量級的太赫茲激光功率測試，在太赫茲微弱信號測量中具有重要的應用。

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High Responsivity Terahertz Detector Based on Seebeck Effect

ZHANG Peng，DONG Jie，HAN Shunli，WU Bin，CAO Qiantao

（Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory, The 41st Research Institute of CETC, Qingdao 266555, China）

In this paper, we discuss a method that can improve terahertz (THz) detector responsivity for weak THz laser power tests. The absorption rate of THz laser absorption materials was measured by a reflective THz time domain spectrum analyzer. Then the material with the highest absorption rate was selected as the THz laser absorption material. A gold film was plated evenly on the bottom of the THz laser absorption material by using DC magnetron sputtering. For this study, we used silicone with a high thermal conductivity and high bonding strength to bond the THz laser absorption material and the hot end of thermopile together, and to bond the cold end of thermopile and heat sink together. Theoretical analysis and experimental results showed that this method effectively improved the thermoelectric conversion rate of the thermopile and THz laser absorption rate of the absorption material. Moreover, the responsivity of the THz detector was improved by 7.9%. Therefore, we have developed a THz detector that can achieve a microwatt magnitude THz laser power test in the range of 0.1THz to 10 THz.

Terahertz detector，Terahertz laser，responsivity，Seebeck effect

O434.3

A

1001-8891(2017)08-0761-05

2016-09-05；

2017-08-01.

張鵬（1987-），男，山東菏澤人，碩士研究生，工程師，主要從事太赫茲測試技術的研究。E-mail：364113561@163.com。