基于超导约瑟夫森检测器的小型THz频谱仪

THz技术具有重要的学术价值和重大的应用前景，而THz波信号检测是当前THz技术研究中面临的一个瓶颈问题，因此需要尽快开展小型THz波检测仪的研制。本申请提出利用超导约瑟夫森结构建THz频谱仪。主要研究内容包括：超导器件与THz波的相互作用机理，高温超导器件器件的制备工艺与其电磁特性特别是THz波段下的特性；搭建小型THz信号检测仪原型系统，研究各部件的关联与影响，低噪声前置放大器在系统中的作用，信号耦合方式的比较与选择，不同温度、结特性对THz信号检测系统的最小检测功率、噪声系数、动态范围、检测频谱分辨率等重要参数的影响；同时研发专用的DSP数据处理系统以实现数据采集、锁相放大等功能。在提高超导约瑟夫森结 THz频谱仪性能的同时，做到数字化、小型化、集成化，为频谱仪实用的实用化奠定基础。

太赫兹（THz）波是有待进行全面研究开发的波段，在科学研究、国民经济和国家安全等方面有着的巨大应用前景。由于目前THz辐射源的功率普遍偏低，因此高灵敏的THz探测技术是关键的瓶颈技术。在高灵敏的THz探测技术中，不仅要知道THz信号的功率，还要了解THz信号的频率和频谱，研制一种小型的THz频谱分析仪是开发太赫兹科学技术中不可或缺的。利用它可以测量THz辐射源的频率谱线，测量生物体、有机分子材料的THz辐射谱线等。通过三年的研究，按计划完成了利用超导约瑟夫森交流特性研制小型THz频谱检测仪，这是一项利用全新方法进行的开创性的研究工作。它具有结构简单、灵敏度高、体积小、价格大幅降低等优点。本项目主要成果如下：.1.在THz波与超导薄膜材料的相互作用机理，THz波与非均匀空间结构材料相互作用机理，高温超导约瑟夫森结型器件与THz波激发超导准粒子物理机制，超导结中微缺陷对性能影响的物理机制等方面进行了深入研究。提出了超导薄膜的生长新工艺新方法；结THz性能特性表征方法；THz波局域增强和高效传输、调控的新方法；THz信号与超导结耦合集成的结构设计方法等等。这些研究成果2011年获得江苏省科学技术进步一等奖。.2.完成10K-70K制冷系统、低温THz信号耦合、检测器工作偏置、数据处理、自动测量程序控制等系统设计与研制，成功研制出高温超导约瑟夫森检测器小型THz频谱仪。并利用它完成了0.1～2.5THz多种太赫兹信号源频谱的测量，性能指标达到计划目标。.3.研究了仪器各部件的关联与影响，研究了在不同条件下超导检测器特性对THz频谱仪噪声、动态范围、检测频率、频谱线宽等重要参数的影响。.本项目实施过程中，项目组在超导检测器太赫兹波探测方面发表（有标注）论文28篇，在高水平国际期刊 (Applied Physics Letters，Optics Express等SCI期刊)发表论文13篇，在本领域重要国际会议 (IRMMW-THz，ASC等)上发表论文5篇。培养博士、硕士研究生10名，申请国家发明专利5项、授权1项。项目组通过主办国际研讨会、积极参与相关领域主流国际会议、邀请国外专家访问、派研究生短期学习等方式，与国外同行进行了深入的学术交流与合作。