基于塞贝克效应的高响应度太赫兹探测器的研究

张 鹏，董 杰，韩顺利，吴 斌，曹乾涛



基于塞贝克效应的高响应度太赫兹探测器的研究

张 鹏，董 杰，韩顺利，吴 斌，曹乾涛

（中国电子科技集团公司第四十一研究所 电子测试技术重点实验室，山东 青岛 266555）

针对微弱太赫兹激光功率的测试需求，本文研究一种可以提高太赫兹探测器响应度的方法。采用反射式太赫兹时域光谱分析仪测试太赫兹激光吸收材料的吸收率，选择吸收率高的材料作为太赫兹激光的吸收材料；使用直流磁控溅射技术在太赫兹激光吸收材料底部均匀的镀上一层金薄膜；利用具有高导热率和高粘接强度的固化液体硅胶把太赫兹激光吸收材料与热电堆的热端粘接在一起，并把热电堆的冷端与热沉紧密粘贴。理论分析和实验结果表明此方法有效提高了热电堆的热电转换率和吸收材料对太赫兹激光的吸收率，从而使太赫兹探测器的响应度提升了7.9%。因此，本文研制的太赫兹探测器在0.1THz～10THz范围内，能够实现微瓦量级太赫兹激光功率的测试。

太赫兹探测器；太赫兹激光；响应度；塞贝克效应

0 引言

随着太赫兹技术的发展，对太赫兹激光的功率进行测试越来越重要[1-3]。目前，能够在0.1THz～10THz范围内实现太赫兹激光功率测试的探测器主要是热电探测器[4-6]，比如热电堆探测器、热释电探测器和辐射热计。由于热电堆探测器是非制冷型探测器，并且可以直接测试连续激光功率。因此，与热释电探测器和辐射热计相比，热电堆探测器在太赫兹领域具有更广泛的应用。例如，热电堆探测器在激光测量、热量计和太赫兹激光功率溯源中已经得到应用[7-8]。

热电堆探测器一般由吸收材料、热电堆和热沉组成，吸收材料直接决定了热电堆探测器的工作波长范围，它的太赫兹激光吸收率对热电堆探测器的灵敏度也有着重要的影响。虽然大部分黑体材料在可见光波段和红外波段具有较好的吸收率，但是在太赫兹波段具有较高的反射率[9]，这也是太赫兹热电堆探测器研制的难点。目前，NIST（National Institute of Standards and Technology）和中国计量科学研究院已经研制了具有较高吸收率的太赫兹激光吸收材料。NIST采用的吸收材料是垂直排列碳纳米管阵列（Vertically aligned carbon nanotube array, VANTA），VANTA质地松软，不能碰触，不仅在如何把VANTA从硅基底上转移到热电堆上面存在巨大挑战[10]，而且在减小VANTA与热电堆之间的空隙方面也存在着很大的难题，成品率较低，只适合实验研究，不利于工程化应用。中国计量科学研究院采用SiC微粒和3M粉末结合的混合物作为太赫兹激光吸收材料，通过喷射的方式把吸收材料覆盖到热电堆上面[9]，吸收材料厚度的均匀性难以保障，从而影响了太赫兹探测器的均匀性。另外，虽然NIST和中国计量科学研究院采用的吸收材料对太赫兹激光的吸收率较高，但是他们研制的太赫兹探测器的响应度分别是98mV/W、172mV/W，相对较低，不利于微弱太赫兹激光功率的测试。

针对工程化应用和微弱太赫兹激光功率测试的需求，本文提出一种易于制作、具有高响应度的太赫兹探测器。

1 太赫兹吸收材料的光谱分析

针对现有的太赫兹激光吸收材料转移到热电堆上面存在的困难，本文提出采用反射型太赫兹时域光谱分析仪（THz-TDS）研究硬度高、膨胀系数小的中性玻璃或Si在太赫兹波段的吸收性能。反射型太赫兹时域光谱分析仪的原理图如图1所示[9]，飞秒激光器发出的飞秒脉冲激光经分束镜分成两路，一路是泵浦光，另一路是探测光，半波片（HWP）可以调节两束光的能量分配。泵浦光入射到光电导天线（PCA）产生太赫兹脉冲激光，太赫兹脉冲激光经过抛物反射镜、半透射反射镜、会聚透镜入射到待测样品，一部分太赫兹脉冲激光被样品吸收，另一部分发生反射；反射的太赫兹脉冲激光通过半透射反射镜与抛物反射镜之后会聚到ZnTe晶体。探测光经过光学延迟线之后到达ZnTe晶体，与太赫兹脉冲激光耦合。由于太赫兹电场能够调制ZnTe晶体的双折射，从而改变探测光的偏振态。依据此特性，使用探测器监测探测光偏振态的变化，就可以实现太赫兹脉冲激光的振幅和相位信息的测试。通过扫描光学延迟线，改变探测光与太赫兹脉冲激光之间的时间延迟，就可以获得整个太赫兹脉冲的时域波形。为了避免空气中的水蒸气对太赫兹脉冲激光的吸收，太赫兹时域光谱分析仪需要工作在真空环境中。

图1 反射型太赫兹时域光谱分析仪

金在太赫兹波段具有很高的反射率[11]，可以用于制作太赫兹时域光谱分析仪中的标准反射板。为了获得准确的测试结果，标准反射板与吸收材料的尺寸需要一致，每次测试时都要把标准反射板与吸收材料放在相同的位置处。首先把标准反射板放入待测样品处，使用THz-TDS多次测量标准反射板的反射频谱，并把它作为参考频谱；其次把中性玻璃和硅依次放入待测样品处，多次测量吸收材料的反射频谱；最后把吸收材料的反射频谱的平均值与参考频谱的平均值相除，获得吸收材料在太赫兹波段的反射率，如图2所示。经多次实验验证，本实验使用的THz-TDS具有良好的重复性。

图2 吸收材料的反射率

中性玻璃的光学密度OD与透过率之间的关系是：

本文研究制作的吸收材料厚度是1.5mm，中性玻璃的光学密度是6.0，根据光学密度与透过率的关系，透过吸收材料的太赫兹激光寥寥无几，可以忽略。因此，从中性玻璃和硅在太赫兹波段的反射率测试结果可以看出，中性玻璃在太赫兹波段的反射率相对较低，则吸收率较高。

2 太赫兹探测器设计

太赫兹的波段范围通常是0.1THz～10THz，光谱范围非常宽。由于热电堆探测器在常温下能够响应连续激光，并且在宽波段具有较好的光谱平坦性，因此本文主要对工作在太赫兹波段的热电堆探测器进行设计。本文设计的热电堆探测器主要由太赫兹激光吸收材料、热电堆和热沉组成，结构如图3所示。

图3 太赫兹热电堆探测器结构图

为了提高热电堆的热电转换率，本文设计的热电堆由66对串联的热电偶、基板、导流片组成，如图4所示。每个热电偶是基于Seebeck效应实现热电转换的，它由P型和N型热电晶棒组成，P型和N型热电晶棒一端焊接在同一个导流片上，另一端焊接在不同的导流片上，与其他热电偶串联连接。以Bi-Te为基的热电材料具有较高的Seebeck系数、导电率以及较低的导热率[12]，从而使以Bi-Te为基的P型和N型热电晶棒制作的热电偶具有很好的Seebeck效应，因此本文选择以Bi-Te为基的P型和N型热电晶棒制作热电偶。氧化铝陶瓷硬度大、并且具有较好的导热绝缘性能，是作为热电堆基板的较佳选择。热沉主要是使热电堆的冷端与环境温度保持一致，因此需要热沉具有较好的导热率。铜、铝等金属一般具有较好的导热率，为了兼顾探测器的重量，本文采用铝制作热沉。

图4 热电堆结构图

与硅相比，中性玻璃在太赫兹波段具有更高的吸收率，因此本文选择中性玻璃作为太赫兹激光的吸收材料。为了减小漫反射对太赫兹激光测试的影响，中性玻璃的光学表面进行抛光处理。太赫兹激光的光斑大小是有限的，当太赫兹激光入射到中性玻璃某一位置时，该处的吸收材料温度高于周围，则只有激光入射位置局部的热电偶产生Seebeck效应，不能很好地发挥其余热电偶的性能。为了解决这种现象，提升热电堆的整体Seebeck效应，本文根据金具有较好导热率的特性，使用磁控溅射技术在中性玻璃底面均匀的镀上一层薄金，如图5所示。在中性玻璃底面镀金有两个作用：①使中性玻璃吸收的热量在热电堆热端均匀的扩散，让每对热电偶都能产生Seebeck效应，提高热电转换率；②使透过中性玻璃的少量太赫兹激光重新反射回中性玻璃，再次被吸收，进一步提高中性玻璃对太赫兹激光的吸收率。这两种作用都是使热电堆探测器在入射太赫兹激光功率相同时，能够输出更大的电压信号，提高太赫兹探测器的响应度。

图5 镀金的中性玻璃

中性玻璃、热电堆和热沉制作完毕之后，需要采用高导热率和高粘接强度的固化液体硅胶把中性玻璃粘贴在热电堆热端，同时把热电堆的冷端粘贴在热沉上面，图6是本文设计的太赫兹探测器实物图。在粘贴时，对硅胶厚度的均匀性要求较高，否则会影响太赫兹探测器的均匀性。为了解决硅胶均匀粘接的问题，本文把涂有硅胶的中性玻璃和热电堆放在匀胶机上，实现硅胶的均匀化处理。

图6 太赫兹探测器实物图

热电堆探测器的零点输出易受环境温度的影响，为了降低环境温度变化引起的零点漂移，本文使用两个性能基本相同的热电堆探测器通过差分方式连接，一个用于接收太赫兹激光，另一个用于接收环境辐射。把差分方式连接的热电堆探测器和单个热电堆探测器同时放入环境试验箱中，在0℃～40℃的环境中，测试热电堆探测器的零点输出，测试结果如图7所示。

图7 热电堆探测器的零点输出与温度关系

从图中可以看出，单个热电堆探测器的零点输出随温度变化波动较大，输出的平均噪声是3.76mV；差分方式连接的热电堆探测器的零点输出随温度变化相对平缓，输出的平均噪声是0.49mV。实验结果表明，与单个热电堆探测器相比，本文设计的差分方式连接的热电堆探测器的零点输出更稳定、噪声更小。

3 实验结果与分析

为了验证本文设计的太赫兹探测器的性能，建立了如图8所示的测试装置。实验使用的太赫兹激光器是FIRL 100激光器，它包含CO2泵浦激光器和结构紧凑的FIR激光室，通过改变选定分子气体的发射谱线，以及用CO2泵浦激光激励分子气体，可以使太赫兹激光器发射的激光在0.25THz～7.5THz范围内可调。FIRL 100激光器发出的太赫兹激光经过太赫兹半透射反射镜之后分成两束，一束太赫兹激光进入功率控制系统，控制输出的太赫兹激光功率的稳定；另一束太赫兹激光经过太赫兹衰减片之后入射到太赫兹辐射计或待测太赫兹探测器。太赫兹辐射计已经与德国PTB（Physikalisch Technische Bundesanstalt）的太赫兹激光功率定标装置进行了对比，在0.3THz～10THz的测量不确定度是5%（＝2）。

图8 太赫兹探测器的响应度测试装置

在实验过程中，设定FIRL 100激光器的参数，使其输出波长是2.52THz的激光。首先使用太赫兹辐射计测试太赫兹激光的功率值；其次把待测太赫兹探测器移入光路，使太赫兹探测器的光敏面与太赫兹辐射计的光敏面位置相同；最后记录太赫兹探测器的输出电压。为了验证本文设计的太赫兹探测器具有更高的响应度，本文设计了两种太赫兹探测器，一种太赫兹探测器的中性玻璃底面未镀金，另一种太赫兹探测器的中性玻璃底面镀金。根据上述实验步骤，将太赫兹辐射计、未镀金的太赫兹探测器、镀金的太赫兹探测器依次移入光路，测量的太赫兹激光功率是39mW，未镀金太赫兹探测器与镀金太赫兹探测器的输出电压分别是13.34mV、14.39mV，则两种太赫兹探测器的响应度分别是342mV/W、369mV/W。由此可知，与未镀金的太赫兹探测器相比，镀金的太赫兹探测器的响应度提高了7.9%。

实验结果表明，在中性玻璃底面镀金可以使热量在热电堆热端扩散，增加了热电偶的利用率，从而提高热电堆的热电转换率，使其在入射激光功率相同时输出更大的电压，符合理论分析。

通过调节太赫兹衰减片的衰减值，使入射到本文设计太赫兹探测器的功率在50mW～60mW等间隔变化，测试的线性度小于1%。当入射太赫兹激光功率是50mW时，电压表测试的太赫兹探测器的输出电压是18.6mV，因此本文设计的太赫兹探测器能够实现微瓦量级太赫兹激光功率的测试。另外，本文使用PL5激光器（10.6mm）测试了太赫兹探测器的损伤阈值能够达到30W/cm2。

为了验证本文设计的太赫兹探测器对太赫兹波的测试性能，本文搭建了太赫兹波测试装置，如图9所示。太赫兹信号发生器由AV1461微波合成信号发生器和AV82406A太赫兹倍频模块组成，太赫兹功率计由AV2434微波功率计和W8486A波导功率传感器组成，太赫兹功率计在75GHz～110GHz的测量不确定度是3.5%（＝2）。设置太赫兹信号发生器的参数，使其输出频率是0.1THz、输出功率是微瓦量级，太赫兹功率计测试的功率值是46mW时，本文设计的太赫兹探测器的输出电压是11.7mV，则它在0.1THz的响应度是254.3mV/W。

图9 太赫兹波测试装置

在太赫兹波测试实验中，太赫兹信号发生器的输出端口是WR10波导，太赫兹功率计的输入端口也是WR10波导，它们之间通过波导组成闭环连接，损耗小。然而，使用本文设计的太赫兹探测器测试太赫兹信号发生器的输出功率时，太赫兹探测器与太赫兹信号发生器输出端口之间存在一定的空隙，对太赫兹波的传输损耗较大。因此，本文设计的太赫兹探测器在0.1THz的响应度比2.52THz的响应度小。

4 结论

本文选择硬度高、膨胀系数小的中性玻璃作为太赫兹激光的吸收材料，太赫兹时域光谱分析仪的测试结果表明中性玻璃在太赫兹波段具有较好的吸收率。通过对中性玻璃的两个表面进行光学抛光以及在底面均匀的镀一层金，不仅可以减小中性玻璃的漫反射，而且提高了热量传递的面积。此举可以有效增加热电堆的热电转换率，提高太赫兹探测器的响应度，在2.52THz使其达到369mV/W，提升了7.9%。因此，本文研制的太赫兹探测器能够实现微瓦量级的太赫兹激光功率测试，在太赫兹微弱信号测量中具有重要的应用。

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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.

张鹏（1987-），男，山东菏泽人，硕士研究生，工程师，主要从事太赫兹测试技术的研究。E-mail：364113561@163.com。