太赫兹辐射功率密度打孔扫描测量

方 波，高艳姣，樊 靖，程雪涛，蔡晋辉

（1.中国计量大学计量技术国家级实验教学示范中心，杭州310018；2.中国石油长庆油田分公司技术监测中心，西安714000；3.杭州大华仪器制造有限公司，杭州311400）

0 引 言

太赫兹波是指频率处于0.1～10 THz，波长0.03 ～3.00 mm 范围内的电磁波［1］。太赫兹波在电磁波谱上位置特殊，处于电子学向光子学的过渡区域［2］，在传播、散射、反射、吸收等方面具有众多特性［3］，具有光子能力低、安全性能好、载波频率高、带宽大等特点。太赫兹技术广泛应用于无损检测、医学成像、无线通信、天文、军事等领域，具有重大的研究价值与广泛的应用前景［4-6］。

对于太赫兹探测器精确定标、太赫兹相机校准和太赫兹时域光谱系统在内的众多太赫兹光学系统来说，太赫兹辐射功率密度和光斑尺寸等特性对光路设计和数据分析都具有显著影响［7］。因此，如何进行太赫兹光路设计以获得高质量的太赫兹光斑，并对其辐射功率密度进行测量仍是太赫兹器件高精度应用研究的核心之一。Füser等［8］提出了非稳频太赫兹频率梳的空间分辨的强度测量方法，实现了0.03～28 THz频率范围测量，测量是基于移动太赫兹辐射源进行的，对于体系庞大的太赫兹辐射源无法进行测量。邓玉强等［9］搭建了一种基于移动电光采样探测器实现太赫兹辐射强度空间分布的测量装置，将电光采样测量和校准的辐射计测量进行比对，实现了100 GHz的连续辐射源强度的测量溯源。孟莹等［10］利用电光采样和光电导探测两种方式，实现了100 GHz辐射源空间辐射功率密度测量。

本文搭建了太赫兹光路系统，利用直接扫描法和打孔法扫描探测太赫兹波，实现了100 GHz辐射源空间辐射功率密度测量，利用打孔扫描法可消除探测器测量数据的卷积影响，提高测量空间分辨率，验证实验数据的可靠性，可为太赫兹光路系统的设计和探测器响应度标定提供重要参考。

1 太赫兹辐射功率密度测量方法

像元对每单位辐照功率产生输出信号电压，像元单位辐照功率

式中：P为像元所受的辐照功率，W；U为像元响应电压，V；R为像元响应度，V/W。

中国计量科学研究院研制了在太赫兹波段具有宽吸收光谱、高吸收率的吸收材料，并基于该材料研制了太赫兹辐射功率计，可将太赫兹功率溯源至国家激光功率基准，在国际首次太赫兹功率比对中取得等效一致［11-14］。在辐射频率为100 GHz处，利用该太赫兹标准辐射功率计对实验用VDI（Virginia Diodes Inc）商用太赫兹探测器的响应度进行标定。将计算得出的探测器功率值P在探测器接收孔面积内进行微分，即为太赫兹辐射的功率密度Im（x，y）：

2 实验部分

2.1 实验光路搭建

本实验搭建了太赫兹汇聚测量光路，太赫兹光由太赫兹源射出经过第1个离轴抛物面镜反射后产生平行光束，再被第2个离轴抛物面镜汇聚；光束通过透镜组汇聚到平移台接收面上，其平移台上装有VDI太赫兹探测器，测量光路图见图1。

图1 太赫兹汇聚测量光路图

实验采用的太赫兹源工作频率100 GHz，太赫兹探测器接收孔径5 mm，电控二维平移台的重复定位精度为1 μm，镀金膜的90°离轴抛物面镜焦距为15.24 cm（6英寸），聚乙烯透镜焦距为10 mm。

2.2 直接扫描法测量太赫兹辐射功率密度

实验采用直接扫描法得到太赫兹汇聚光斑形状及功率密度分布，在垂直于光束的方向即光束截面上，以固定步长移动光电探测器，并读取移动到各点时探测器输出的信号。所得到的数据经换算后即为光功率密度随着位置移动的分布，光斑的形状和功率密度分布可从数据拟合的图像中得到。

实验将探测器固定于电控二维平移台上，光路中探测器在距离第2个透镜10 mm处采集光斑信息，实验采用100 GHz太赫兹源，扫描尺寸为20 mm×20mm，采集光斑信息测量结果是光斑功率密度分布的卷积，卷积具有平滑的作用［15］，数据拟合后结果见图2。

图2 直接扫描法测量太赫兹功率密度分布图

2.3 打孔扫描法测量太赫兹辐射功率密度

电控位移平台每次移动步长1 mm，而所使用的太赫兹探测器的接收孔径远大于1 mm，故其测量结果是光斑功率密度分布的卷积。卷积结果会影响太赫兹功率密度的准确测量。为提高测量的空间分辨率，在探测器接收口前端套上锡纸，在锡纸中间打上直径为1 mm的方孔，改进前后的探测器接收端比对如图3所示。太赫兹波照射到锡纸表面后无法穿透，故经打孔法改进后的太赫兹探测器的接收孔径为1 mm。采用改进后打孔法扫描得到采集的光斑信息，测得数据经处理拟合后结果如图4所示。

图3 打孔扫描法探测器接收端对比示意图

图4 打孔扫描法测量太赫兹功率密度分布图

3 测量结果对比分析

直接扫描法与打孔扫描法测量的太赫兹辐射峰值功率密度如表1所示。发现经数据处理并进行拟合得到的太赫兹辐射功率密度图形相似，都存在一个主峰与一个峰值较小的旁瓣，但两种方法测得结果还是存在一些区别。

表1 直接扫描法与打孔扫描法测量的太赫兹辐射峰值功率密度

直接扫描法测得的辐射功率密度图形更加平滑，由打孔扫描法测得的太赫兹功率密度分布图形更加尖锐，两峰之间的区分更加清晰，空间分辨率更高，但图形中毛刺更多。分析其原因为直接法测得数据为5 mm×5 mm范围内的辐射功率均值，而打孔法因测量范围更小，其由探测器测得的电压值更低，在同一测量环境与设备的条件下，受背景噪声的影响更大，从而导致所得辐射功率密度图形毛刺更多。

对比两种方法得到的辐射功率密度峰值数据可以发现打孔法的峰值更大。分析原因可能是自制的锡纸方孔边长1 mm存在误差，在探测器接收孔径较小的前提下，方孔尺寸的误差会对实验数据产生较大影响。

4 结 语

由于太赫兹波为不可见光，搭建光路获得太赫兹光斑精确信息存在一定难度，本实验仅在相同条件下，测量太赫兹辐射的功率密度分布。本文设计搭建了太赫兹汇聚光路，采用了直接扫描法与打孔扫描法两种探测器扫描测量方式，实现了100 GHz太赫兹辐射功率密度的测量。对比两种方法，前者具有较高的信噪比，但空间分辨率低；后者具有较高空间分辨率，但信噪比低。本文的研究对太赫兹汇聚光路的搭建，太赫兹辐射功率密度实验方法的选择具有一定指导意义。后续将进一步研究优化太赫兹辐射功率密度测量方法，实现高空间分辨率、高信噪比的太赫兹辐射功率密度测量。