基于光热声机制的室温太赫兹波功率测量装置及测量方法与流程

1.本发明属于太赫兹波探测技术领域，涉及一种基于光热声机制的室温太赫兹波功率测量装置及测量方法。


背景技术：

2.太赫兹(terahertz)波是指频率在0.1thz-10 thz之间的电磁波，频率处于微波和红外光之间，位于电子学和光子学的交界区域。太赫兹特殊的电磁波谱位置,使其具有诸多优异特性,以及重要的学术和应用价值。太赫兹的高穿透性，使得其对多种介电材料和非极性物质具有良好的穿透性,可对不透明物体进行透视成像,能有效补充x射线成像和超声成像技术，并用于无损检测，如安检和质检；而其低光子能量的特性非常适用于针对生物样品的活体检查，是皮肤癌、龋齿洞等医学检测的理想工具；太赫兹还具备优秀的物质分辨能力，很多极性分子和生物大分子的振-转能级跃迁都处在太赫兹波段，根据这些跃迁产生的指纹谱，可以在辨别物体三维轮廓的同时，检测出物体的组成成分，为缉毒、反恐、排爆等提供相关的理论依据和探测方法。此外，太赫兹波的频率高于目前无线通讯所用的电磁波频率，因此，使用太赫兹波作为通信载体时，单位时间内可以传输更多的信息，因此，太赫兹波通讯成为了未来无线通讯技术的发展方向。
3.目前，太赫兹技术的发展主要受到太赫兹发射源、太赫兹探测器以及太赫兹功能器件的原理和技术发展水平的制约。常温全带宽(0.1thz-10thz)太赫兹探测器，只能利用基于热效应的非相干探测方式和基于泵浦-探测技术的相干探测方式实现，但是后者由于需要使用一台超短激光脉冲源，限制了其日常应用范围。而现在常用的基于热效应的太赫兹探测方式，主要有热辐射计，高莱盒和热释电探测器等，这些探测方式有些需要低温条件(比如热辐射计)，有些测量速度很慢(比如高莱盒和热释电探测器)，因此，亟需发展全带宽室温高速太赫兹探测器。


技术实现要素：

4.本发明目的是解决现有太赫兹波功率探测方法不能实现全带宽室温高速太赫兹探测的问题，提出了一种基于光热声机制的室温太赫兹波功率测量装置及测量方法，实现了光声室温太赫兹波功率探测。光热声转换过程，首先通过电子的带间跃迁和带内跃迁实现对太赫兹波的吸收，然后将吸收的太赫兹波能量通过电子-声子耦合转变为热能，最后太赫兹波的快速调制导致的热能波动驱动声波产生，实现光热声转换。其采用的光热声转换器件为石墨烯泡沫，以实现宽带室温快速测量的功能。
5.本发明的技术方案
6.一种基于光热声机制的室温太赫兹波功率测量装置，其结构包括太赫兹波功率调制组件，光热声转换器件和声波测量组件。所述的太赫兹波功率调制组件将输出的调制太赫兹波照射在光热声转换器件上，所述光热声转换器件基于光热声机制将接收到的调制太赫兹波转换成声波脉冲，然后由声波测量组件实现声波脉冲的测量，声波脉冲的峰峰值与
调制太赫兹波的功率成正比，因此实现了太赫兹波功率的测量。
7.所述的用于光热声转换器件的材料为具备光热声效应的太赫兹吸收物质，如石墨烯泡沫。石墨烯泡沫保留了石墨烯的能带结构、低热容和高热导率特性。石墨烯独特的能带结构保证了可以同时通过带间跃迁和带内跃迁过程吸收入射的太赫兹波，因此石墨烯具有高太赫兹波吸收率；而低热容和高热导率特性使石墨烯具有高热声转换效率。因此，石墨烯是一种高效的光热声转换材料。与石墨烯相比，石墨烯泡沫更是具有厘米量级的三维尺寸以及无需基底的优点，厘米量级的三维尺寸与太赫兹波的光斑尺寸具有相同数量级，保证了对待测太赫兹波的充分吸收，而无基底则避免了热能向基底的扩散，使热声效应产生的声波更强。
8.所述的太赫兹波功率调制组件可以是待测太赫兹源自身包含的光电调制组件，也可以是外加的斩波器或由周期性调制光辐照的半导体材料。
9.所述的声波测量组件包括麦克风，电信号适调仪和数据记录设备，比如示波器。
10.本发明提供的上述测量装置可在室温下进行太赫兹波功率的测量。
11.本发明同时提供了基于光热声机制的室温太赫兹波功率测量方法，该方法通过上述测量装置实现，所述探测步骤如下：
12.1)连续太赫兹波经过太赫兹波功率调制组件中形成的太赫兹开关后转变为调制太赫兹波；
13.2)调制太赫兹波入射到光热声转换器件(如石墨烯泡沫)表面被光热声转换器件吸收，发生光热声效应，产生声波；
14.3)声波被声波测量组件接收并转换为电压信号，经放大后，显示出声波的测量结果；
15.4)所测声波脉冲的峰峰值与调制太赫兹波功率成正比，从而实现对太赫兹波功率的测量。
16.本发明的优点和有益效果：
17.本发明所述的基于光热声机制的室温太赫兹波功率测量装置及方法，具有宽带，无需制冷，响应速度快，装置简单，测量动态范围大的优点。该装置可实现对整个太赫兹波段(0.1thz-10thz)进行测量，其室温宽带特性来源于石墨烯泡沫的宽带吸收特性，极低的单位面积热容量(heat capacity per unit area:hcpua)和高热导率，这些特性使石墨烯泡沫具备了优异的太赫兹光热声转换效率。该探测装置使用一台人耳听觉频段的麦克风作为声波探测器，这种麦克风价格便宜，技术成熟，而光热声探测方式使得其响应速度相比于传统光热探测方式(响应时间0.01s)，提高了2～3数量级，从而有利于高速太赫兹通讯的发展。探测装置中使用的石墨烯泡沫无需连接天线和电极，省去了设计和制备电极、天线的工序，且使其具有较高的损伤阈值，实现了大动态范围的测量。综上，该探测装置是一种装置简单可在室温下对太赫兹波功率进行快速测量的新型太赫兹探测装置。
附图说明
18.图1为本发明一个实施例的测量装置示意图。
19.图2为本发明所用的调制太赫兹波的波形(a)及其产生的声波波形(b)。
20.图3为本发明的光热声效应原理示意图。
21.图4为本发明的峰峰值声压与太赫兹功率之间的依赖关系的示意图。
22.图中，1连续太赫兹波源，2第一离轴抛面镜，3第二离轴抛面镜，4光源，5反射镜，6半导体，7光热声转换器件，8麦克风，9电信号适调仪，10示波器。
具体实施方式
23.以下将结合附图对本发明的技术方案作清晰，完整的说明，这些附图均为简化的示意图，仅用于说明本发明的基本结构。所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而非全部。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
24.以下对示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不作为限制，即实施例的其它例子可以具有不同的值。
25.实施例1：
26.本发明提出了一种基于光热声机制的室温太赫兹波功率测量装置，该装置包括太赫兹波功率调制组件，光热声转换器件和声波测量组件。本实施例装置的具体结构如图1所示。所述太赫兹波功率调制组件将产生振幅调制的太赫兹波，调制太赫兹波辐照到光热声转换器件上将转换成声波，进而被声波测量组件采集。
27.太赫兹波功率调制组件包括连续太赫兹波源，光源和半导体，如图1。光源4发射的调制光经过反射镜5辐照到半导体6表面后，光辐照期间会改变半导体表面光生载流子的浓度，进而改变半导体对太赫兹波的透过率。因此，使用调制光将周期性改变太赫兹波的透过率。当连续太赫兹波源1发出的太赫兹波经第一和第二两个离轴抛面镜2和3传播到半导体6表面被调制光辐照的区域后，会被半导体调制，变成振幅调制的太赫兹波。本实施例中的太赫兹波是0.1thz的连续源，辐照到半导体表面处的功率约22mw。所使用的半导体是本征硅片，直径～100mm，厚度500μm。所用调制光是脉宽50fs，中心波长800nm，重复频率50hz的飞秒激光，照射在硅片上的光斑直径～2cm。辐照到半导体表面的太赫兹波直径～1.9cm。调制后的太赫兹波形如图2中的a所示。
28.光热声转换器件7主要基于光热声机制实现光热声转换。根据光热声原理，光被材料吸收后会转变为热，进而加热周围的空气层，使其膨胀；相应的，当光消失的时候周围空气层会冷却，从而压缩；空气层的膨胀与压缩会产生声波。因此仅当光能量突变时才能产生声波，在持续不变的情况下无法产生声波。光热声机制如图3所示。作为光热声转换材料，为获得更高的光热转换系数，需要更低的单位面积热容(hcpua)。本发明使用的光热声转换器件为二维材料，如石墨烯泡沫。石墨烯作为现有已知最薄的材料，具有极低hcpua。而相比于单层石墨烯，石墨烯泡沫是立体的，可以自站立，无需基底支撑，避免了基底能量耗散，能更有效的提高光热声转换效率。本实例中使用的石墨烯泡沫是直径为～10mm的圆柱，厚度～1.5mm。
29.声波测量组件主要由麦克风8，电信号适调仪9，示波器10构成。麦克风将声波信号转换为电信号，电信号适调仪会在给麦克风供电的同时，将信号进行适度放大，进而由示波器进行显示。由于本实例中辐照到石墨烯泡沫表面的调制太赫兹波的振幅发生变化的时间极短，小于15μs，因此一次振幅变化只产生一个声波信号，如图2中的b所示。该声波响应时
间约30μs，其中下降时间约8μs，上升时间约19μs，该响应时间远短于商用光热太赫兹探测器。通过标定响应度，即可将声波脉冲的峰峰值转换成thz功率。图4中不同声波脉冲的峰峰声压对应的太赫兹功率表明，两者呈线性关系，拟合得到的响应度约为3.26pa/w，因此图2b中59mpa声波峰峰声压对应的thz功率约为18.1mv。麦克风为圆柱形，直径约7mm，长度约53mm。麦克风前表面距离石墨烯泡沫后表面约2mm，麦克风探测频率范围4hz-100khz。这里电信号适调仪的放大倍数是100倍。麦克风，电信号适调仪，示波器之间通过同轴电缆连接。