基于双频超表面吸波结构的太赫兹探测器及系统技术方案

本发明专利技术一种基于双频超表面吸波结构的太赫兹探测器及系统，属于探测器领域；包括耦合模块和读出模块；所述耦合模块用于耦合太赫兹辐射，并以温度变化的形式输出“光

【技术实现步骤摘要】
基于双频超表面吸波结构的太赫兹探测器及系统


[0001]本专利技术属于探测器领域，具体涉及一种基于双频超表面吸波结构的太赫兹探测器及系统。

技术介绍

[0002]由于太赫兹波的独特特性，太赫兹(THz)成像在过去二十年中受到广泛关注并逐渐成为一个高度活跃的领域，太赫兹技术在安检、医学成像和遥感等众多领域都有着广阔的应用前景。多种常用的包装材料，如纸张、织物和塑料等，对于太赫兹波是透明的，因此太赫兹成像技术在安全检查和无损检测领域中具有巨大的潜力。太赫兹辐射的光子能量较低，不会导致电离风险，且生物大分子的太赫兹指纹光谱特性使得太赫兹成像能够用作医学诊断和分析的工具，特别是在皮肤烧伤和皮肤癌方面。而作为太赫兹成像系统中的核心部件，高灵敏度和实时响应的太赫兹探测器得到了研究者的重视。一般来说，太赫兹探测器可以分为两类：光子探测器和热探测器。尽管光子探测器具有高灵敏度和极快的响应时间，但大多数光子探测器的工作波段很窄，并且它们对低温冷却系统的需求导致其价格昂贵，体积庞大。热探测器将太赫兹辐射作为热量吸收，从而产生可测量的输出信号。一般热探测器能够在室温下以良好的灵敏度和响应时间运行，例如热电堆、热释电探测器和Golay探测器等。
[0003]通过使用上述光子或热探测器在扫描模式下操作，可能需要几十秒到几个小时才能获得一张二维图像。最近，一种基于红外微测辐射热计的焦平面阵列型探测器被提出，一些研究已经证明了它在实时太赫兹成像系统中的应用，拍摄一张太赫兹图像仅需数十微秒。然而，由于缺乏合适的太赫兹吸波材料，这种焦平面探测器的灵敏度受到很大影响。且由于需要焦平面阵列探测器需要配置高速读出电路，其阵列规模以及工艺可行性受到了一定的限制。
[0004]超表面的概念为提高太赫兹探测器灵敏度提供了新的技术途径。超表面是一种人工设计、制备的二维周期性结构，它通常由一系列亚波长单元按照周期性排列而成。超表面的宏观电磁特性可通过设计其单元结构、尺寸来调节，并实现对电磁波极化、相位、幅度的调控，其电磁响应及频率自由度远超自然材料。将超表面吸波结构应用于太赫兹探测器中，可实现远高于自然吸波材料的吸收率、并对吸收频率做出灵活设计，从而完成对探测器工作频率的调节。
[0005]针对上述问题，可以看到急需一种兼具吸波效率高、读出结构简单、频率灵活设计等特点的太赫兹探测器。

技术实现思路

[0006]要解决的技术问题：
[0007]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提供一种基于双频超表面吸波结构的太赫兹探测器，通过引入超表面吸波结构，重点解决了太赫兹探测器中吸波材料吸收效率低的
问题，并设计基于热像仪的信号读出系统，用于在无需读出电路的情况下，读出探测器的热响应信号。针对现有太赫兹探测器技术中存在的吸收效率低等问题，取得如下效果：1)实现室温293K环境下的探测功能，无需制冷设备；2)实现双频点探测，具有较高的频率灵活度；3)吸波效率高于90％；4)响应时间68ms，满足实时成像需求；5)采取热像仪来读出探测器响应，降低读出电路带来的制备复杂度，实现模块化设计。
[0008]本专利技术的技术方案是：一种基于双频超表面吸波结构的太赫兹探测器,包括耦合模块和读出模块；所述耦合模块用于耦合太赫兹辐射，并以温度变化的形式输出“光
‑
热”响应；所述读出模块用于读出耦合模块所输出的“光
‑
热”响应，完成对太赫兹辐射功率值的表征，实现太赫兹探测；
[0009]所述耦合模块包括为焦平面阵列，由若干方形阵元在平面内紧密无缝排列构成，各个阵元的结构、材料均相同；单个所述阵元包含超表面单元阵列、隔热悬臂和硅衬底，超表面单元阵列通过隔热悬臂悬置于硅衬底底部中空处。
[0010]本专利技术的进一步技术方案是：所述超表面单元阵列包括以5
×
5形式阵列的25个超表面单元，所述超表面单元为具有两个吸收峰的三层结构，顶层与底层为金属，中间为介质层，利用顶层与底层金属中的表面电流耦合入射太赫兹波，实现高效双频吸波。
[0011]本专利技术的进一步技术方案是：所述超表面单元的顶层包括同心设置的一个金属方环和一个金属圆环，谐振分别为3.18THz和5.17THz，结合超表面单元的底层金属，能够吸收两个频率的电磁波。
[0012]本专利技术的进一步技术方案是：所述金属方环和金属圆环之间无接触，圆环位于方环之外；其中，方环边长为2a、线宽为w4，圆环半径为r、线宽为w5，r＝1.5
×
a+0.2μm+w5,3μm≤a≤4μm。
[0013]本专利技术的进一步技术方案是：所述超表面单元的边长为p2，2r+1μm≤p2≤2r+3μm；超表面单元顶层金属和底层金属的厚度均为h2，h2在0.1
‑
0.5μm之间；超表面单元中介质层厚度和隔热悬臂厚度均为h3，h3在0.8
‑
2μm之间。
[0014]本专利技术的进一步技术方案是：所述硅衬底的横截面是边长为p1的正方形，其厚度为h1，h1为300μm；硅衬底内开有方形通孔，方形通孔的边长为w1，w1＝5
×
p2+4μm；所述超表面单元阵列通过周向设置的隔热悬臂悬置于硅衬底底部，其上5
×
5超表面单元正对硅衬底内方形通孔；通过所述隔热悬臂将超表面单元阵列与硅衬底隔离，避免产生热交换造成热量流失。
[0015]本专利技术的进一步技术方案是：所述隔热悬臂的材质为氮化硅，是一侧开口的方环形结构，其开口端与超表面单元的相对两侧边缘连接，与超表面单元的连接宽度为w2，w2在4
‑
8μm范围内；隔热悬臂与其开口侧相对的臂面上设置有长度为w3的金锚点，所述金锚点为隔热悬臂与硅衬底的连接面，w3在10
‑
20μm之间；隔热悬臂的方环边长为l，l＝p2×
5+w2×
2。
[0016]本专利技术的进一步技术方案是：所述探测器尺寸参数见下表：
[0017][0018]本专利技术的进一步技术方案是：所述读出模块为红外热像仪，红外热像仪观测区域大小为2cm
×
2cm，空间分辨率为400
×
400，温度分辨率为50mK，响应时间10ms。
[0019]一种透射式太赫兹成像系统，其特征在于：包括太赫兹辐射源、太赫兹光学镜组、太赫兹探测器和红外热像仪，由太赫兹辐射源射出的波束经太赫兹光学镜组准直后，入射至太赫兹探测器，通过红外热像仪观察太赫兹探测器平面的温度分布图像，即等同于太赫兹辐射强度分布图像，实现待测物体的透射式太赫兹成像；
[0020]所述太赫兹探测器平面与红外热像仪的观测视野完全符合，且红外热像仪的观测方向应垂直于太赫兹探测器平面。
[0021]有益效果
[0022]本专利技术的有益效果在于：本专利技术为基于双频超表面吸波结构的太赫兹探测器，对比现有的太赫兹探测器，优势主要体现在以下方面：
[0023]1.本专利技术能够实现室温(293K)下的实时探测。本专利技术提供本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双频超表面吸波结构的太赫兹探测器,其特征在于：包括耦合模块和读出模块；所述耦合模块用于耦合太赫兹辐射，并以温度变化的形式输出“光
‑
热”响应；所述读出模块用于读出耦合模块所输出的“光
‑
热”响应，完成对太赫兹辐射功率值的表征，实现太赫兹探测；所述耦合模块包括为焦平面阵列，由若干方形阵元在平面内紧密无缝排列构成，各个阵元的结构、材料均相同；单个所述阵元包含超表面单元阵列、隔热悬臂和硅衬底，超表面单元阵列通过隔热悬臂悬置于硅衬底底部中空处。2.根据权利要求1所述一种基于双频超表面吸波结构的太赫兹探测器,其特征在于：所述超表面单元阵列包括以5
×
5形式阵列的25个超表面单元，所述超表面单元为具有两个吸收峰的三层结构，顶层与底层为金属，中间为介质层，利用顶层与底层金属中的表面电流耦合入射太赫兹波，实现高效双频吸波。3.根据权利要求1所述一种基于双频超表面吸波结构的太赫兹探测器,其特征在于：所述超表面单元的顶层包括同心设置的一个金属方环和一个金属圆环，谐振分别为3.18THz和5.17THz，结合超表面单元的底层金属，能够吸收两个频率的电磁波。4.根据权利要求3所述一种基于双频超表面吸波结构的太赫兹探测器,其特征在于：所述金属方环和金属圆环之间无接触，圆环位于方环之外；其中，方环边长为2a、线宽为w4，圆环半径为r、线宽为w5，r＝1.5
×
a+0.2μm+w5,3μm≤a≤4μm。5.根据权利要求1所述一种基于双频超表面吸波结构的太赫兹探测器,其特征在于：所述超表面单元的边长为p2，2r+1μm≤p2≤2r+3μm；超表面单元顶层金属和底层金属的厚度均为h2，h2在0.1
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0.5μm之间；超表面单元中介质层厚度和隔热悬臂厚度均为h3，h3在0.8
‑
2μm之间。6.根据权利要求1所述一种基于双频超表面吸波结...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱海亮，王开，牟进超，刘甘雨，狄玉洁，王庚辰，谢胜琳，周雨欣，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：