基于弱非线性近共振效应的光读出THz成像新方法研究

Noise-equivalent power (NEP) is a key factor that has significant influence on the performance of optical-readout Terahertz (THz) imaging system. However, there is still no effective way to reduce it. The performance improvement of THz imaging system will be investigated in this project on the basis of modulated THz continuous wave. According to the near-resonant weakly nonlinear theory, we will mainly discuss the thermo-mechanical THz FPA. The thermo-mechanical model of resonance mode will be built. The structure mechanism and effect of nonlinear vibration will be studied. The stress modifying technique will be developed. Finally, technical solutions that reduce NEP of optical-readout THz imaging system will be proposed. This project will provide a new thought to improve the performance of optical-readout THz imaging system, and make contribution to THz imaging technology and practical application.

噪声等效功率（NEP）对现有光读出太赫兹成像系统的性能提升起重要作用，但进一步降低NEP的方法比较欠缺，机制尚不明确。沿着太赫兹连续波光强可调制特点可以提升太赫兹成像系统探测性能的思路，从热机械型太赫兹焦平面阵列（THz FPA）出发，基于弱非线性近共振效应，提出提高THz FPA热-机械响应率的新方法，以降低光读出太赫兹成像系统NEP。建立共振情况下的热-机械响应率模型，分析结构非线性振动的机理与效果，开发基于离子注入工艺的微梁应力调控技术。项目成果将为光读出太赫兹成像系统的性能提升提供新思路，对实际应用具有指导意义。

本项目基于热机械型太赫兹焦平面阵列（THz FPA），研究了利用结构的弱非线性近共振效应提高器件热-机械响应率，进而降低噪声等效功率（NEP）的方法与技术。重点建立了结构的热-机械响应率模型与材料应力-结构形变理论模型，讨论了工作在共振情况下的器件响应率变化及其影响因素，分析了结构形变对一阶共振频率以及频率展宽效果的影响。在此基础上，设计了由吸收层、反射层、折叠梁和框架构成的THz FPA像元结构，通过理论分析与有限元仿真相结合的形式，优化了结构尺寸。进一步地，基于离子注入工艺开发了介质薄膜的应力调控技术，并由此形成了THz FPA成套加工工艺，研制出具有四种不同初始偏转角的像素结构，其偏转角度分别为：0.096°（接近于0°）、1.256°、16.423°、30.742°。经测试，这四种结构具有相同的静态热机械响应，共振时结构响应率比静态时增加了18倍，验证了利用机械结构共振效应，提高结构热-机械响应率方法的可行性。同时，对初始偏转角度为16.423°的结构进行的幅频响应测试结果表明，结构的频谱展宽了约1.2倍，这为协调共振响应谱谱峰尖锐与工艺加工不均匀造成像元共振频率偏差之间的矛盾提供了方法。本项目的开展，形成了提高THz FPA热-机械响应率、降低NEP的基础理论和技术方案，为实现高质量THz成像打下了良好的基础。同时，项目中形成的系列加工与测试关键技术，也为其它器件的研制与测试提供了技术手段，介质薄膜的应力调控技术已应用于透射电镜（TEM）观测的微胶囊开发，动态响应中响应时间测试方法已应用于二极管型红外像素热学参数测试。