太赫茲輻射功率密度打孔掃描測量

方 波，高艷姣，樊 靖，程雪濤，蔡晉輝

（1.中國計(jì)量大學(xué)計(jì)量技術(shù)國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，杭州310018；2.中國石油長慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測中心，西安714000；3.杭州大華儀器制造有限公司，杭州311400）

0 引 言

太赫茲波是指頻率處于0.1～10 THz，波長0.03 ～3.00 mm 范圍內(nèi)的電磁波［1］。太赫茲波在電磁波譜上位置特殊，處于電子學(xué)向光子學(xué)的過渡區(qū)域［2］，在傳播、散射、反射、吸收等方面具有眾多特性［3］，具有光子能力低、安全性能好、載波頻率高、帶寬大等特點(diǎn)。太赫茲技術(shù)廣泛應(yīng)用于無損檢測、醫(yī)學(xué)成像、無線通信、天文、軍事等領(lǐng)域，具有重大的研究價(jià)值與廣泛的應(yīng)用前景［4-6］。

對(duì)于太赫茲探測器精確定標(biāo)、太赫茲相機(jī)校準(zhǔn)和太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)在內(nèi)的眾多太赫茲光學(xué)系統(tǒng)來說，太赫茲輻射功率密度和光斑尺寸等特性對(duì)光路設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析都具有顯著影響［7］。因此，如何進(jìn)行太赫茲光路設(shè)計(jì)以獲得高質(zhì)量的太赫茲光斑，并對(duì)其輻射功率密度進(jìn)行測量仍是太赫茲器件高精度應(yīng)用研究的核心之一。Füser等［8］提出了非穩(wěn)頻太赫茲頻率梳的空間分辨的強(qiáng)度測量方法，實(shí)現(xiàn)了0.03～28 THz頻率范圍測量，測量是基于移動(dòng)太赫茲輻射源進(jìn)行的，對(duì)于體系龐大的太赫茲輻射源無法進(jìn)行測量。鄧玉強(qiáng)等［9］搭建了一種基于移動(dòng)電光采樣探測器實(shí)現(xiàn)太赫茲輻射強(qiáng)度空間分布的測量裝置，將電光采樣測量和校準(zhǔn)的輻射計(jì)測量進(jìn)行比對(duì)，實(shí)現(xiàn)了100 GHz的連續(xù)輻射源強(qiáng)度的測量溯源。孟瑩等［10］利用電光采樣和光電導(dǎo)探測兩種方式，實(shí)現(xiàn)了100 GHz輻射源空間輻射功率密度測量。

本文搭建了太赫茲光路系統(tǒng)，利用直接掃描法和打孔法掃描探測太赫茲波，實(shí)現(xiàn)了100 GHz輻射源空間輻射功率密度測量，利用打孔掃描法可消除探測器測量數(shù)據(jù)的卷積影響，提高測量空間分辨率，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，可為太赫茲光路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和探測器響應(yīng)度標(biāo)定提供重要參考。

1 太赫茲輻射功率密度測量方法

像元對(duì)每單位輻照功率產(chǎn)生輸出信號(hào)電壓，像元單位輻照功率

式中：P為像元所受的輻照功率，W；U為像元響應(yīng)電壓，V；R為像元響應(yīng)度，V/W。

中國計(jì)量科學(xué)研究院研制了在太赫茲波段具有寬吸收光譜、高吸收率的吸收材料，并基于該材料研制了太赫茲輻射功率計(jì)，可將太赫茲功率溯源至國家激光功率基準(zhǔn)，在國際首次太赫茲功率比對(duì)中取得等效一致［11-14］。在輻射頻率為100 GHz處，利用該太赫茲標(biāo)準(zhǔn)輻射功率計(jì)對(duì)實(shí)驗(yàn)用VDI（Virginia Diodes Inc）商用太赫茲探測器的響應(yīng)度進(jìn)行標(biāo)定。將計(jì)算得出的探測器功率值P在探測器接收孔面積內(nèi)進(jìn)行微分，即為太赫茲輻射的功率密度Im（x，y）：

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)光路搭建

本實(shí)驗(yàn)搭建了太赫茲匯聚測量光路，太赫茲光由太赫茲源射出經(jīng)過第1個(gè)離軸拋物面鏡反射后產(chǎn)生平行光束，再被第2個(gè)離軸拋物面鏡匯聚；光束通過透鏡組匯聚到平移臺(tái)接收面上，其平移臺(tái)上裝有VDI太赫茲探測器，測量光路圖見圖1。

圖1 太赫茲匯聚測量光路圖

實(shí)驗(yàn)采用的太赫茲源工作頻率100 GHz，太赫茲探測器接收孔徑5 mm，電控二維平移臺(tái)的重復(fù)定位精度為1 μm，鍍金膜的90°離軸拋物面鏡焦距為15.24 cm（6英寸），聚乙烯透鏡焦距為10 mm。

2.2 直接掃描法測量太赫茲輻射功率密度

實(shí)驗(yàn)采用直接掃描法得到太赫茲匯聚光斑形狀及功率密度分布，在垂直于光束的方向即光束截面上，以固定步長移動(dòng)光電探測器，并讀取移動(dòng)到各點(diǎn)時(shí)探測器輸出的信號(hào)。所得到的數(shù)據(jù)經(jīng)換算后即為光功率密度隨著位置移動(dòng)的分布，光斑的形狀和功率密度分布可從數(shù)據(jù)擬合的圖像中得到。

實(shí)驗(yàn)將探測器固定于電控二維平移臺(tái)上，光路中探測器在距離第2個(gè)透鏡10 mm處采集光斑信息，實(shí)驗(yàn)采用100 GHz太赫茲源，掃描尺寸為20 mm×20mm，采集光斑信息測量結(jié)果是光斑功率密度分布的卷積，卷積具有平滑的作用［15］，數(shù)據(jù)擬合后結(jié)果見圖2。

圖2 直接掃描法測量太赫茲功率密度分布圖

2.3 打孔掃描法測量太赫茲輻射功率密度

電控位移平臺(tái)每次移動(dòng)步長1 mm，而所使用的太赫茲探測器的接收孔徑遠(yuǎn)大于1 mm，故其測量結(jié)果是光斑功率密度分布的卷積。卷積結(jié)果會(huì)影響太赫茲功率密度的準(zhǔn)確測量。為提高測量的空間分辨率，在探測器接收口前端套上錫紙，在錫紙中間打上直徑為1 mm的方孔，改進(jìn)前后的探測器接收端比對(duì)如圖3所示。太赫茲波照射到錫紙表面后無法穿透，故經(jīng)打孔法改進(jìn)后的太赫茲探測器的接收孔徑為1 mm。采用改進(jìn)后打孔法掃描得到采集的光斑信息，測得數(shù)據(jù)經(jīng)處理擬合后結(jié)果如圖4所示。

圖3 打孔掃描法探測器接收端對(duì)比示意圖

圖4 打孔掃描法測量太赫茲功率密度分布圖

3 測量結(jié)果對(duì)比分析

直接掃描法與打孔掃描法測量的太赫茲輻射峰值功率密度如表1所示。發(fā)現(xiàn)經(jīng)數(shù)據(jù)處理并進(jìn)行擬合得到的太赫茲輻射功率密度圖形相似，都存在一個(gè)主峰與一個(gè)峰值較小的旁瓣，但兩種方法測得結(jié)果還是存在一些區(qū)別。

表1 直接掃描法與打孔掃描法測量的太赫茲輻射峰值功率密度

直接掃描法測得的輻射功率密度圖形更加平滑，由打孔掃描法測得的太赫茲功率密度分布圖形更加尖銳，兩峰之間的區(qū)分更加清晰，空間分辨率更高，但圖形中毛刺更多。分析其原因?yàn)橹苯臃y得數(shù)據(jù)為5 mm×5 mm范圍內(nèi)的輻射功率均值，而打孔法因測量范圍更小，其由探測器測得的電壓值更低，在同一測量環(huán)境與設(shè)備的條件下，受背景噪聲的影響更大，從而導(dǎo)致所得輻射功率密度圖形毛刺更多。

對(duì)比兩種方法得到的輻射功率密度峰值數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)打孔法的峰值更大。分析原因可能是自制的錫紙方孔邊長1 mm存在誤差，在探測器接收孔徑較小的前提下，方孔尺寸的誤差會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大影響。

4 結(jié) 語

由于太赫茲波為不可見光，搭建光路獲得太赫茲光斑精確信息存在一定難度，本實(shí)驗(yàn)僅在相同條件下，測量太赫茲輻射的功率密度分布。本文設(shè)計(jì)搭建了太赫茲匯聚光路，采用了直接掃描法與打孔掃描法兩種探測器掃描測量方式，實(shí)現(xiàn)了100 GHz太赫茲輻射功率密度的測量。對(duì)比兩種方法，前者具有較高的信噪比，但空間分辨率低；后者具有較高空間分辨率，但信噪比低。本文的研究對(duì)太赫茲匯聚光路的搭建，太赫茲輻射功率密度實(shí)驗(yàn)方法的選擇具有一定指導(dǎo)意義。后續(xù)將進(jìn)一步研究優(yōu)化太赫茲輻射功率密度測量方法，實(shí)現(xiàn)高空間分辨率、高信噪比的太赫茲輻射功率密度測量。