本发明专利技术公开了一种太赫兹超导相变边缘探测器及太赫兹波探测方法，所述探测器包括衬底及用作辐射吸收体和测温体的超导薄膜微桥、作为超导薄膜微桥支撑层的热弱连接体、用于耦合太赫兹电磁波信号的平面天线、直流偏置线以及传输线；所述直流偏置线与直流偏置源连接，向超导薄膜微桥施加直流偏置电信号,并反馈超导薄膜微桥上电信号的变化；所述传输线的一端连接超导薄膜微桥,另一端分别与平面天线和直流偏置线连接。本发明专利技术采用超导薄膜微桥同时作为辐射吸收体和测温体，采用传输线同时传输太赫兹电磁波信号和提供直流偏置，结构简洁紧凑，易于实现大规模阵列应用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及太赫兹波探测技术，具体为一种。
技术介绍
太赫兹(THz)频段是现代天文学最后一个有待全面研究的电磁波频段，是继红外和毫米波频段之后21世纪人类探测宇宙最新发展的、其它频段不可替代的观测窗口。在天文学领域，太赫兹频段占有微波背景辐射(CMB)以后宇宙近一半的光子能量，特别适合观测研究第一代恒星的形成、星系形成和演化、恒星和行星系统的形成和早期演化、地外行星系统大气的物理化学特性、以及宇宙生命起源等现代天文学中最重要的前沿科学问题。太赫兹频段天文观测在天体物理与宇宙学研究中具有不可替代的作用，对于理解宇宙状态和演化有非常重要的意义。太赫兹频段天文观测所需设备可分为相干探测器和非相干探测器两类，太赫兹相干探测器主要针对天体目标开展高分辨率频谱观测，太赫兹非相干探测器主要应用于宽带连续谱探测和中低频谱分辨率探测。对于非相干探测器，基于低温超导器件的太赫兹频段高灵敏度非相干探测器主要有超导隧道结探测器(STJ)、超导动态电感探测器(MKIDs)和超导相变边缘探测器(TES)。其中，超导隧道结探测器受隧道结漏电流和读出技术的限制，发展较为缓慢。超导动态电感探测器由于采用了较简单读出复用技术得到了快速发展，但其灵敏度不仅与工作环境温度相关，还受准粒子产生与复合噪声限制，目前所测最低灵敏度约为1x10—18 W/Hd.5。相反，超导相变边缘探测器灵敏度仅取决于工作环境温度，可实现背景极限探测灵敏度。在100 mK或更低温区，超导相变边缘探测器灵敏度可达1x10—19 W/HzQ.5，已成为太赫兹望远镜研制超高灵敏度宽带连续谱阵列探测器首选。超导相变边缘探测技术属于热探测技术。超导相变边缘探测器一般由辐射吸收体(absorber)、测温体(thermometer)、热弱连接体(weak thermal link)和热沉(heat sink)四部分构成，其中辐射吸收体与热沉之间通过热弱连接体相连。超导相变边缘探测器工作原理是辐射吸收体吸收电磁波辐射信号，辐射吸收体温度发生改变，然后由测温体读出温度变化并判断吸收电磁波信号强度。研制高灵敏度超导相变边缘探测器关键在于:1)辐射吸收体高效耦合电磁波信号；2)辐射吸收体和测温体与热沉之间实现热弱连接。针对上述两点，欧美等发达国家各研究小组正积极开展太赫兹超导相变边缘探测技术研究，现主要研制的太赫兹超导相变边缘探测技术可分为以下三类:1)基于氮化硅薄膜的喇叭天线耦合太赫兹超导相变边缘探测技术。氮化硅薄膜热传导系数小，机械强度高可微加工成狭长腿形状，是热弱连接体最佳选择之一。目前，荷兰SR0N研究小组利用狭长腿形状氮化硅薄膜作为热弱连接体，为下一代空间太赫兹卫星计划-SPICA研制了超高灵敏度太赫兹超导相变边缘探测器，但该研究小组研制的太赫兹超导相变边缘探测器中，太赫兹电磁波信号是通过金属喇叭天线和金属背腔耦合至辐射吸收体，其电磁波耦合效率很容易受金属喇叭天线、辐射吸收体以及金属背腔之间对准精度影响(要求对准精度达百分之一毫米以上)，该研究小组也一直致力于提高太赫兹电磁波耦合效率。2)基于氮化硅薄膜的平面天线耦合太赫兹超导相变边缘探测技术。近年来，美国UC Berkeley研究小组研制了基于平面天线耦合的太赫兹超导相变边缘探测器，其利用硅透镜、平面天线以及微带线实现了太赫兹电磁波信号高效耦合。但是，该太赫兹超导相变边缘探测器中辐射吸收体与测温体相分离，不仅要求在狭长腿形状氮化硅薄膜上集成直流偏置线连接测温体，还要求在狭长腿形状氮化硅薄膜上集成微带线连接辐射吸收体，对太赫兹超导相变边缘探测器器件制备工艺提出了很高要求。3)基于电声弱親合(electron-phonon decoupling)的平面天线親合太赫兹超导相变边缘探测技术。超导薄膜中电子与声子相互热作用会随着温度降低而急剧减小，成为极低温区最佳热弱连接体之一。利用电子与声子之间热弱耦合，美国JPL实验室研制了基于钛薄膜的平面天线耦合太赫兹超导相变边缘探测器，在300 mK温区实测探测器灵敏度约为3x10—18W/H,5。基于电声弱耦合的平面天线耦合太赫兹超导相变边缘探测技术也存在一定不足，由于超导薄膜低温热容较小，导致探测器响应时间非常短(300 mK温区响应时间仅为几微秒)，难以利用现有超导量子干涉放大器(SQUID)时域读出复用技术实现大规模阵列读出。综上所述，欧美等发达国家各研究小组已通过采用各种不同方法实现了高灵敏度太赫兹超导相变边缘探测技术，但这些太赫兹超导相变边缘探测技术均存在一些不足或应用限制。因此，亟需开发一种结构简洁紧凑、灵敏度高且易于实际应用的太赫兹超导相变边缘探测技术。
技术实现思路
本专利技术的技术目的是提供一种新型的，以改善或克服背景材料所述技术的不足。为实现上述技术目的，本专利技术提供的技术方案为: 太赫兹超导相变边缘探测器，包括衬底，其特征在于: 所述衬底上设有同时用作辐射吸收体和测温体的超导薄膜微桥、通过热弱连接体与热沉部件连接的支撑层、用于耦合太赫兹电磁波信号的平面天线、直流偏置线以及传输线；所述超导薄膜微桥设置在所述支撑层上； 所述直流偏置线与直流偏置源连接，向超导薄膜微桥施加直流偏置电信号，并向反馈超导薄膜微桥上电信号的变化； 所述传输线的一端连接超导薄膜微桥，另一端通过第一支路连接平面天线，用于耦合平面天线输出的太赫兹电磁波信号，并传输至超导薄膜微桥;该端通过第二支路连接直流偏置线，为超导薄膜微桥提供直流偏置。在上述方案的基础上，进一步优选或改进的技术方案还包括: 所述热弱连接体为狭长腿形结构，支撑层设有四条呈X型排列的狭长腿形结构，超导薄膜微桥设置在支撑层各狭长腿形结构的中间位置。支撑层中心位置设有作为调整探测器响应时间的热容部件的矩形区域，四条狭长腿形结构分别连接在所述矩形区域的拐角处。所述热弱连接体优选采用氮化硅薄膜。所述传输线连接超导薄膜微桥的一段设置在支撑层上，在其一狭长腿型结构上延伸至超导薄膜微桥的位置。所述平面天线优选采用平面双槽天线，所述传输线优选采用共面波导传输线，以确保对太赫兹电磁波信号的高效耦合。本专利技术探测器的工作温度为亚K温区(1K以下)。—种使用如上所述太赫兹超导相变边缘探测器的太赫兹波探测方法，其特征在于，将超导薄膜微桥同时用作辐射吸收体和测温体，包括以下步骤: 利用平面天线耦合太赫兹电磁波信号，并传输至超导薄膜微桥，使超导薄膜微桥内产生热能变化;对超导薄膜微桥施加直流偏置电压或电流，利用超导薄膜微桥在温度变化时电阻发生变化的规律，探测超导薄膜微桥上的电流变化或电压变化，根据该电流变化或电压变化分析超导薄膜微桥上电阻和温度的变化，从而判断照射在超导薄膜微桥上的太赫兹电磁波信号强度。进一步的: 当探测器工作温度为1K时，超导薄膜微桥优选采用铝薄膜； 当探测器工作温度为0.3K时，超导薄膜微桥优选采用钛薄膜。有益效果: 本专利技术，通过传输线为超导当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
太赫兹超导相变边缘探测器，包括衬底，其特征在于：所述衬底上设有同时用作辐射吸收体和测温体的超导薄膜微桥、通过热弱连接体与热沉部件连接的支撑层、用于耦合太赫兹电磁波信号的平面天线、直流偏置线以及传输线；所述超导薄膜微桥设置在所述支撑层上；所述直流偏置线与直流偏置源连接，向超导薄膜微桥施加直流偏置电信号,并反馈超导薄膜微桥上电信号的变化；所述传输线的一端连接超导薄膜微桥,另一端通过第一支路连接平面天线，用于耦合平面天线输出的太赫兹电磁波信号，并传输至超导薄膜微桥；该端通过第二支路连接直流偏置线，为超导薄膜微桥提供直流偏置。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：缪巍，史生才，张文，钟家强，
申请(专利权)人：中国科学院紫金山天文台，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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