一种探测装置和实现太赫兹波探测的方法

技术领域

本文涉及但不限于电磁波技术，尤指一种探测设置和实现太赫兹波探测的方法。

背景技术

太赫兹波是对一个特定波段的电磁波的统称，通常是指振荡频率在0.1太赫兹(THz)～10THz之间的电磁波，具有穿透性能好、光子能量低和光谱信息丰富等特点，在公共安全、光谱检测、通信等领域具有重要的应用价值。要实现这些应用，高效、可靠的太赫兹探测手段必不可少。基于光热电效应的太赫兹探测方法具有室温下可工作、响应频带宽、稳定性好和易于阵列集成等优点，是距离商业化应用最近的太赫兹探测技术之一。

光热电效应属于热电效应的一种；太赫兹波照射沟道材料的一端，在沟道中产生梯度分布的温度场，驱动沟道中的载流子运动，从而产生光电流。这种探测方法目前只见于单像素太赫兹波的探测，由于无法高效地使太赫兹波分别照射到不同的沟道上，这种方法难以用于实现阵列式太赫兹波探测。此外，相关技术中的太赫兹天线如扇形天线等，结构通常在二维平面内，相应地，探测沟道、温度场分布也沿水平方向展开，不利于热量的集中和探测装置的阵列化集成。

为了实现阵列化太赫兹波的探测，满足太赫兹波实时、室温成像的需求，促进太赫兹技术的实用化发展，设计高灵敏、易集成的太赫兹探测装置成为一种需求。

发明内容

以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。

本发明实施例提供一种探测设置和实现太赫兹波探测的方法，能够提升太赫兹波探测的灵敏度。

本发明实施例提供了一种探测装置，包括：构成电磁谐振阵列的两个以上探测单元，探测单元包括：沟道(1-1)、正金属电极(1-2)、负金属电极(1-3)和电磁谐振结构(1-4)；其中，

正金属电极(1-2)和负金属电极(1-3)欧姆接触于沟道(1-1)的两端，且仅通过沟道(1-1)电连接；

电磁谐振结构(1-4)用于产生电磁谐振。

在一种示例性实例中，所述正金属电极(1-2)或所述负金属电极(1-3)与所述电磁谐振结构(1-4)连接。

在一种示例性实例中，所述探测单元还包括：

用于设置所述沟道(1-1)、正金属电极(1-2)、负金属电极(1-3)和电磁谐振结构(1-4)的衬底(1-5)。

在一种示例性实例中，所述探测单元还包括：

与所述正金属电极(1-2)连接的正电极引出线(1-6)，和与负金属电极(1-3)连接的负电极引出线(1-7)。

在一种示例性实例中，所述探测单元(1)的尺寸为亚波长量级。

在一种示例性实例中，所述沟道(1-1)沿平面或沿纵向展开。

在一种示例性实例中，所述沟道(1-1)沿平面展开时为长方体；

所述沟道(1-1)沿纵向展开时为柱体。

在一种示例性实例中，所述沟道(1-1)的尺寸由包括热扩散长度在内的信息确定。

在一种示例性实例中，所述沟道(1-1)是设置为：

接收按照预设角度照射的待测太赫兹波；

所述正金属电极(1-2)和负金属电极(1-3)是设置为：输出所述待测太赫兹波照射至所述沟道(1-1)时产生的电信号；

其中，所述电信号与所述太赫兹波的强度成正比。

另一方面，本发明实施例还提供一种实现太赫兹波探测的方法，包括：

将待测太赫兹波按照预设角度照射至预设的探测装置的两个以上探测单元的沟道；

从探测单元的正金属电极和负金属电极，读取由待测太赫兹波照射探测单元的沟道产生的电信号；

根据读取的电信号确定太赫兹波的强度信息；

其中，所述探测装置中所述的两个以上探测单元构成电磁谐振阵列，所述探测单元包括：沟道、正金属电极、负金属电极和电磁谐振结构；所述正金属电极和所述负金属电极欧姆接触于所述沟道的两端，且仅通过所述沟道电连接；所述电磁谐振结构用于产生电磁谐振。

在一种示例性实例中，所述电信号包括：

电压信号或电流信号。

本发明实施例探测装置，包括：构成电磁谐振阵列的两个以上探测单元，探测单元包括：沟道、正金属电极、负金属电极和电磁谐振结构；其中，正金属电极和负金属电极欧姆接触于沟道的两端，且仅通过沟道电连接；电磁谐振结构用于产生电磁谐振。本发明实施例基于构成电磁谐振阵列的两个以上探测单元实现了探测单元的阵列排布设计，通过阵列排布的探测单元提升了太赫兹波探测的灵敏度。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为本发明实施例探测装置的结构框图；

图2为本发明实施例实现太赫兹波探测的方法的流程图；

图3为本发明应用示例探测单元的底面示意图；

图4为本应用示例工作状态下探测装置的电场分布图；

图5为本发明应用示例另一探测装置的示意图；

图6为本发明应用示例另一探测单元的示意图；

图7为本发明应用示例另一探测单元的剖面示意图；

图8为本应用示例工作状态下另一探测装置的电场分布图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

图1为本发明实施例探测装置的结构框图，如图1所示，包括：构成电磁谐振阵列的两个以上探测单元1，探测单元1(图1右侧为探测单元1的局部放大示意图)包括：沟道1-1、正金属电极1-2、负金属电极1-3和电磁谐振结构1-4；其中，

正金属电极1-2和负金属电极1-3欧姆接触于沟道1-1的两端，且仅通过沟道1-1电连接；

电磁谐振结构1-4用于产生电磁谐振。

在一种示例性实例中，本发明实施例正金属电极1-2或负金属电极1-3与电磁谐振结构1-4连接。

需要说明的是电磁谐振结构1-4可以不与正金属电极1-2或负金属电极1-3，电磁谐振结构1-4可以由本领域技术人员根据相关设计实现，只要可以产生电磁谐振即可。

本发明实施例沟道1-1用于将入射的太赫兹波蕴含的电磁能量转换为便于探测的电信号，其材料可以包括：碲铋属化合物等热电材料，还可以是石墨烯等新兴二维材料，还可以是3,4-乙烯二氧噻吩单体的聚合物(PEDOT)等新型导电薄膜材料。正金属电极1-2和负金属电极1-3用于施加偏置电压、栅控电压，或将沟道1-1产生的电信号引导给电学检测仪器以供测量。正金属电极1-2和负金属电极1-3的材料可以包括但不限于金、银、铜、铝、钛等金属导电材料，还可以包括如氧化铟锡(ITO)、碳纳米管等新兴导电材料。探测单元1对入射太赫兹波进行调制，从而在探测装置中形成局域场增强，并将吸收的太赫兹波转化为热能，产生局域热点，由此在沟道1-1中形成梯度分布的温度场。探测单元材料不限，可以是导电的金属材料，也可以是电介质材料，可以由本领域技术人员根据经验设计为一些形状，依靠形状与材料的电磁性质来产生电磁谐振。

构成电磁谐振阵列的两个以上探测单元，探测单元包括：沟道、正金属电极、负金属电极和电磁谐振结构；其中，正金属电极和负金属电极欧姆接触于沟道的两端，且仅通过沟道电连接；正金属电极或负金属电极与电磁谐振结构连接。本发明实施例基于构成电磁谐振阵列的两个以上探测单元实现了探测单元的阵列排布设计，通过阵列排布的探测单元提升了太赫兹波探测的灵敏度。

本发明实施例探测单元是一种人工电磁微结构，是一种人为设计的亚波长尺寸的结构，具有电磁谐振功能，可以用于实现电磁波调控。

在一种示例性实例中，本发明实施探测单元1的尺寸为亚波长量级。

在一种示例性实例中，本发明实施例探测单元还包括：用于设置沟道1-1、正金属电极1-2、负金属电极1-3和电磁谐振结构1-4(正金属电极1-2中的半回形结构)的衬底1-5。

本发明实施例衬底1-5为探测装置提供机械支撑，其材料包括但不限于硅、氮化硅、氧化硅、硅酸盐玻璃等，其形状可以根据探测装置的组成架构设置。

在一种示例性实例中，本发明实施例探测单元1还包括：

与正金属电极1-2连接的正电极引出线1-6(位于底部，通过虚线表示)，和与负金属电极1-3连接的负电极引出线1-7(位于底部，通过虚线表示)。

在一种示例性实例中，本发明实施例沟道1-1沿平面展开。

在一种示例性实例中，本发明实施例沟道1-1沿纵向展开。

在一种示例性实例中，本发明实施例沟道1-1沿平面展开时为长方体。

在一种示例性实例中，本发明实施例沟道1-1沿纵向展开时为柱体。

在一种示例性实例中，本发明实施例沟道1-1可以是其他形状的组成，长方体和柱体为本发明的可选实施例。

在一种示例性实例中，本发明实施例柱体可以包括圆柱体、四棱柱等柱体，柱体高度可以是亚波长量级。

在一种示例性实例中，本发明实施例探测单元中包含的各组成的形状和尺寸，可以由本领域技术人员技术各组成之间的连接和工作关系设置。

在一种示例性实例中，本发明实施例沟道1-1的尺寸由包括热扩散长度在内的信息确定。热扩散长度只是确定沟道1-1的尺寸的一个因素，换句话说，沟道1-1的尺寸不仅仅由热扩散长度确定。在一种示例性实例中，本发明实施例沟道1-1是设置为：接收按照预设角度照射的待测太赫兹波；

正金属电极1-2和负金属电极1-3是设置为：输出待测太赫兹波照射至沟道1-1时产生的电信号；

其中，电信号与所述太赫兹波的强度成正比。图2为本发明实施例实现太赫兹波探测的方法的流程图，如图2所示，包括：

步骤201、将待测太赫兹波按照预设角度照射至预设的探测装置的两个以上探测单元的沟道；

步骤202、从探测单元的正金属电极和负金属电极，读取由待测太赫兹波照射探测单元的沟道产生的电信号；

步骤203、根据读取的电信号确定太赫兹波的强度信息；

其中，探测装置中的两个以上探测单元构成电磁谐振阵列，探测单元包括：沟道、正金属电极、负金属电极和电磁谐振结构；正金属电极和负金属电极欧姆接触于沟道的两端，且仅通过沟道电连接；电磁谐振结构用于产生电磁谐振。

正金属电极或负金属电极与电磁谐振结构连接。

在一种示例性实例中，本发明实施例中的电信号包括：

电压信号或电流信号。

本发明实施例基于构成电磁谐振阵列的两个以上探测单元实现了阵列排布的太赫兹波探测装置的设计，提升了太赫兹波探测的灵敏度。

应用示例

以下通过应用示例对本发明实施例进行简要说明，应用示例仅用于陈述本发明实施例，并不用于限定本发明的保护范围。

本应用示例探测单元1包括：沟道1-1、衬底1-5、正金属电极1-2、负金属电极1-3；图3为本发明应用示例探测单元的底面示意图，如图3所示，探测单元1还包括：正电极引出线1-6和负电极引出线1-7。

在一种示例性实例中，本应用示例沟道1-1为长方体形状，位于衬底1-5上方，通过衬底1-5探测单元可以获得良好的机械支撑。正金属电极1-2为一开口谐振环(SRR)结构，基于SRR结构，本应用示例正金属电极1-2中包含了电磁谐振结构1-4；负金属电极1-3为一长方体结构；正金属电极1-2和负金属电极1-3分别位于沟道1-1的两侧，与沟道1-1形成良好的欧姆接触。

在一种示例性实例中，本应用示例正金属电极1-2的开口谐振环的开口处与沟道1-1相接触。

在一种示例性实例中，本应用示例正电极引出线1-6和负电极引出线1-7均穿过衬底1-5，在探测装置顶部分别与正金属电极1-2和负金属电极1-3相接，在探测装置底部伸出，用于电信号的引出。

本应用示例将探测装置固定在一固定支架上，使其正面朝向待测太赫兹波。通过正电极引出线1-6和负电极引出线1-7将电压信号或者电流信号引出，读取该电压或电流信号的大小即可获知待测太赫兹波的强度信息。由于探测装置包含阵列式的多个探测单元，本应用示例电信号通过具有相应路数的信号接口进行电压或电流信号读出。太赫兹波的探测实现过程包括：当待测太赫兹波照射到探测装置上时，将会受到探测单元的调制。对太赫兹波起调制作用的主要是正金属电极1-2，正金属电极，1-2为开口谐振环结构，其尺寸参数经过设计后，可以使特定频率的太赫兹波发生电磁谐振。图4为本应用示例工作状态下探测装置的电场分布图，如图4所示，电磁谐振作用下，在正金属电极1-2的开口谐振环的开口处形成了明显的局域场增强，在该区域内，入射光子与沟道1-1中的载流子发生强烈作用，使得该区域温度升高，形成局域热点，从而在沿沟道1-1方向形成具有一定梯度的温度场分布(颜色深表示温度高、颜色浅表示温度低)。在该温度场作用下，沟道1-1中的载流子从正金属电极1-2一侧向负金属电极1-3一侧扩散，从而形成光电流，或表现为光电压。测量该电流或电压的大小，即可确定入射太赫兹波的强度。

图5为本发明应用示例另一探测装置的示意图，如图5所示，探测装置包含阵列分布的两个以上探测单元；探测单元可以是面阵列分布，也可以是线阵列分布。图6为本发明应用示例另一探测单元的示意图，如图6所示，沟道1-1、衬底1-5、正金属电极1-2、负金属电极1-3和电磁谐振结构1-4；图7为本发明应用示例另一探测单元的剖面示意图，如图7所示，探测单元1还包括：正电极引出线1-6和负电极引出线1-7。

本应用示例沟道1-1可以是圆柱体，固定于衬底1-5上方，通过衬底1-5获得良好的机械支撑。正金属电极1-2为一圆盘形状，固定在沟道1-1的圆柱体上方，与沟道1-1形成良好的欧姆接触。负金属电极1-3为一正方形结构，中心处带有一个圆形开孔，位于沟道1-1下方，与沟道1-1形成良好的欧姆接触。负金属电极1-3底部与负电极引线1-7相接。本应用示例正金属电极1-2和负金属电极1-3仅通过沟道1-1电连接，因此，在正金属电极1-2和负金属电极1-3设置绝缘层，防止形成电接触。正金属电极1-2用于调控入射太赫兹波，形成电磁谐振。正电极引线1-6的顶端与正金属电极1-2相接，从沟道1-1和衬底1-5中穿过，在衬底1-5底部露出一定的引线接口，用于电信号引出。负电极引线1-7为一空心圆柱体结构，圆柱体以正电极引线1-2为轴心，顶端与负金属电极1-3相接，从衬底1-5中穿过，并在其底部露出，用于电信号引出。

通过图5所示的探测装置实现太赫兹波探测的过程包括：使待测太赫兹波正入射到探测装置正面，通过探测装置正电极引出线1-6和负电极引出线1-7之间的电压，对照预先定标的入射功率与光电压关系，即可得到入射太赫兹波强度。太赫兹波的探测原理是：当入射太赫兹波照射到探测装置上时，在正金属电极1-2和负金属电极1-3的共同调制下，产生电磁谐振，在正金属电极1-2附近形成局域热点。图8为本应用示例工作状态下另一探测装置的电场分布图，如图8所示，局域热点处沟道1-1的温度将比负金属电极1-3附近高，因此沟道1-1中的载流子将由正金属电极1-2一端向负金属电极1-3一端扩散，从而在沟道1-1两侧形成光电压。通过正电极引线1-6和负电极引线1-7可以测量该光电压，从而确定入射的太赫兹波的强度信息。

本应用示例太赫兹波的探测过程包括：入射太赫兹波照射到探测装置上，与探测装置中的探测单元相互作用，激发电磁谐振，在探测装置特定位置处形成局域电磁场；利用形成的局域电磁场，增强入射太赫兹波的场强，使其与探测装置中可吸收太赫兹波的材料发生强烈的相互作用，将能量从光能转化为热能，在局域电磁场位置处形成局域热点，局域热点附近形成高温区域。同时，在探测装置中未发生局域电磁谐振的位置处形成低温区域；借助所生成的局域热点和低温区域，在沟道中产生梯度分布的温度场，驱动载流子由高温区域向低温区域扩散，在沟道中生成光电流，在沟道两端形成光电压；测量光电流或光电压的大小，标定电信号大小与入射太赫兹波强度的关系；对照提前标定的入射功率与电信号关系，得出入射太赫兹波的强度信息。

本应用示例利用人工电磁微结构调控入射太赫兹波，在各个探测单元处激发局域增强的电磁场，构建阵列化局域热点，解决相关技术中结构光热电探测器阵列化灵敏度不足的问题。既实现了均匀太赫兹波入射下的阵列化探测，又利用局域场增强了单个探测单元的探测灵敏度。本应用示例人工电磁微结构包括但不限于超材料、超表面、光子晶体、亚波长光栅、表面等离子体阵列等。本应用示例通过光热电效应实现太赫兹波能量到电能的转换。在相关理论中，上述光热电效应也被表述为热载流子效应、非平衡载流子效应，依据该效应所制备的探测装置有时被称为热电偶或热电堆，其基本原理是一致的，应被认为是同一种机制。本应用示例所提出的太赫兹波的探测，不需要额外使用如透镜、波片等太赫兹波调制器件，可以实现非聚焦太赫兹照射下的阵列式探测；此外，本应用示例探测单元数量不限，可以是线阵探测或者面阵探测；探测沟道的排布方向可以是垂直于入射太赫兹波的方向，也可以是平行于入射太赫兹波方向，或多种方向结合。

本应用示例提供的太赫兹波探测方法及装置，将人工电磁微结构引入到探测装置中，利用人工电磁微结构实现对入射太赫兹波的吸收增强，提高器件的光热转换效率，改进光热电探测器性能；人工电磁微结构可以对入射太赫兹光场进行调制，在均匀太赫兹光场照射下，在不同位置处形成多个局域热点，满足阵列式探测的需求，解决太赫兹光热电探测在阵列化集成方面的问题；人工电磁微结构可以在三维空间内展开，在三个维度上同时对太赫兹光场进行限制，获得更小的模式体积和更大的谐振场强，提高入射太赫兹波与沟道的相互作用强度，实现高灵敏太赫兹波探测；人工电磁微结构通常由众多谐振单元构成，具有明显的周期性，这一点和阵列式探测的需求高度契合，在实现阵列式探测时，可以将一个或多个谐振单元设计成一个探测单元前端，这样构成的探测阵列排布规整，引线方便，具有很强的实用性；利用人工电磁微结构可以便捷的构建沿垂直方向的梯度温度场，从而设计研制沟道方向与太赫兹波入射方向平行，即垂直型分布的光热电装置。相比于沟道在水平面内展开的光热电装置，垂直型光热电装置热量的局域性更好，即灵敏度更高、结构周期更小、且结构紧凑。

“本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。”。