高速太赫兹探测器研制及其时间分辨光谱应用演示

Terahertz (THz) quantum-well photo-detector has lots of advantages such as fast response, small size, stable performance, etc. It is an important fast detector above 2 THz region and now has significant application prospects in fast imaging, heterodyne detecting, wireless signal transmission, etc. In this project, we aim to develop the fast detecting technique in THz region by employing the ultra-fast intrinsic response time, with a value of few picoseconds, in the THz quantum-well photo-detector. The optimal active region will be acquired by analyzing the transport properties of the photon-generated electrons. The device materials will be grown the by using the molecular beam epitaxy system. The designed metal cavity coupler has high coupling efficiency in THz range. A high absorbing efficiency THz quantum-well photo-detector will be realized by taking the above advantage. And then, a helium dewar-based high speed THz detecting module will be developed after the detector fabricating with high speed packaging technique. The high speed response performance of the device will be studied by the microwave rectification method. The demonstration on fast time-resolved spectroscopy will be realized by combining the module with the Fourier transform spectrometer. Finding out the potentially high-speed detecting capability of the photo-detector through our research in this project. And then developing its applications in biomedicine and materials physics by employing the fast time-resolved spectroscopy.

太赫兹（THz）量子阱探测器是2THz频段以上非常重要的一种快速探测器，具有响应速度快、体积小、性能稳定等优点，目前在快速成像、外差探测、无线信号传输等方面具有重要应用前景。本申请项目拟利用THz量子阱探测器的ps量级本征响应优势，实现THz频段的高速探测技术。通过对器件中光生电子输运特性的分析，获得器件的最佳周期结构，采用分子束外延生长技术获得高质量器件材料，利用金属微腔结构耦合效率高的特点，研制高吸收效率的THz量子阱探测器，并进行高速封装，研制出基于液氦杜瓦的高速THz探测装置，采用微波整流方法研究器件及装置的高速响应特性，与傅里叶光谱仪进行有机结合，实现探测器高速性能在快速时间分辨光谱中的应用演示。希望通过本申请项目的研究，挖掘出器件在高速探测方面的潜力，并通过快速时间分辨光谱测量这样一种手段，发展THz高速探测技术在生物医学、材料物理分析方面的应用。

太赫兹（THz）量子阱探测器（QWP）是2THz频段以上非常重要的一种快速探测器，具有响应速度快、体积小、性能稳定等优点，目前在快速成像、外差探测、无线信号传输等方面具有重要应用前景。本项目通过优化THzQWP器件结构的周期数和量子阱掺杂浓度、精确控制Al组分生长比例，在国际上率先实现了峰值探测频率覆盖4.5-6.5THz的偏压可调谐THzQWP和半高宽达3.0THz的超宽谱THzQWP，器件探测率达10^11Jones量级。基于传输线电注入方式、高速TIA集成方式和贴片式Bias-Tee集成方式完成了THzQWP的高速封装，获得了5.3GHz的-3dB调制带宽，实现了对2.2GHz快速调制THz光的直接探测，高速TIA集成探测芯片4.2K下的电学跨阻放大-6dB带宽为0.09-2.56GHz，贴片式Bias-Tee集成探测芯片在1-10GHz频率范围内输出端口的驻波比小于1.5。采用IRLabHDL-5型标准液氦杜瓦，开发了基于THzQWP的快速探测装置，单次使用时长达20小时以上，实现了对空气扰动过程的时间分辨光谱测量。此外，在应用于THzQWP光电性能研究的大功率THz激光源和THz偏振转换技术方面，研制出脉冲峰值功率达1.4W的THzQCL激光源，达到国际先进水平，开发了基于线偏振片调节的超宽谱THz偏振转换装置和转换效率达80%的2.4-4.2THz范围反射型偏振转换器，为THzQWP器件的表征及应用奠定了基础。通过本项目的研究，丰富了THzQWP的工作频段和工作方式，验证了器件在高速探测方面的性能，为进一步发展器件在时间分辨光谱测量、生物医学和材料科学成像分析等方面的应用奠定了坚实基础。