太赫兹探测装置及其探测方法

本申请涉及太赫兹探测，具体涉及一种太赫兹探测装置及其探测方法。

背景技术：

1、太赫兹波是电磁频谱中频率范围在0.1-10thz之间的电磁波，与中红外和微波相邻。相比于其他电磁波，太赫兹波具有独特的性质，如低光子能量（毫电子伏特级别）、对许多非金属和非极性物质（塑料、脂肪、陶瓷等）具有良好的穿透性，以及宽广的频谱范围（工作带宽比毫米波大一个数量级）等。因此，太赫兹波在工业无损检测、安全检查以及宽带无线通信等多个领域都展现出了革命性的应用前景。

2、太赫兹技术的广泛应用依赖于高性能的探测器。相关研究中表明可利用碱金属原子蒸气将太赫兹波转换为光波以实现探测。然而，由于碱金属原子蒸气，也即里德堡原子气体需要密封在真空气室中，真空气室占据一定空间，其尺寸限制了原子器件的小型化。另外，真空气室的加工制备和密封需适应光学系统的高稳定性要求和复杂程度，给光学集成带来了较大的挑战，在一定程度上限制了光学系统的可拓展性和集成度。

技术实现思路

1、本申请针对相关技术的缺点，提出一种太赫兹探测装置，用以解决相关技术中太赫兹探测装置器件的集成度难以提升、或器件难以小型化的问题。

2、本申请提供一种太赫兹探测装置，包括激光发射模块、半导体结构、太赫兹光学模块和信号处理模块。激光发射模块用于发射第一光信号；所述半导体结构用于接收所述第一光信号，被所述第一光信号激发形成里德堡激子并使所述第一光信号转换为第二光信号；所述半导体结构还用于接收待测的所述太赫兹信号；所述半导体结构在所述太赫兹信号的作用下将所述第一光信号转化为第三光信号，所述第三光信号与所述第二光信号不同；太赫兹光学模块用于控制所述太赫兹信号的传播方向并使所述太赫兹信号聚焦，以使所述第一光信号的光斑的至少部分与所述太赫兹信号的太赫兹斑在所述半导体结构重合；信号处理模块用于获取所述第二光信号转换之后的第一电信号以及所述第三光信号转换之后的第二电信号，并根据所述第一电信号及所述第二电信号确定所述太赫兹信号的强度。

3、在一个实施例中，所述太赫兹探测装置还包括设置于半导体结构表面的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极均与所述半导体结构电连接以形成第一光电转换结构，所述第一光电转换结构与所述信号处理模块电连接，所述第二光信号经所述第一光电转换结构转换成所述第一电信号，所述第三光信号经所述第一光电转换结构转换成所述第二电信号。

4、在一个实施例中，所述半导体结构的材质为透光材质，所述太赫兹探测装置包括第二光电转换结构，所述第二光电转换结构设置于所述半导体结构远离所述激光发射模块的一侧，所述第二光电转换结构与所述信号处理模块电连接，所述第二光信号经所述第二光电转换结构转换成所述第一电信号，所述第三光信号经所述第二光电转换结构转换成所述第二电信号。

5、在一个实施例中，所述第二光电转换结构包括光电二极管、光电倍增管、光电晶体管、ccd图像传感器和cmos图像传感器。

6、在一个实施例中，所述信号处理模块根据所述第一电信号和所述第二电信号确定反映所述太赫兹信号强度分布的频域信号。

7、在一个实施例中，所述太赫兹探测装置还包括波长控制器，所述波长控制器与所述激光发射模块连接，用于控制所述激光发射模块发射的所述第一光信号的波长与目标波长匹配，所述目标波长为所述半导体结构激发形成里德堡激子所需的波长。

8、在一个实施例中，所述太赫兹光学模块包括至少一个抛物面镜和/或至少一个太赫兹透镜，设置于所述半导体结构的一侧，用于聚集太赫兹信号并使所述太赫兹信号射入所述半导体结构。

9、在一个实施例中，所述太赫兹光学模块包括设置于所述激光发射模块和所述半导体结构之间的抛物面镜，所述抛物面镜设有锥形孔，所述锥形孔的相对两端的开口分别朝向所述激光发射模块及所述半导体结构，所述锥形孔用于使所述第一光信号穿过并射入所述半导体结构。

10、在一个实施例中，所述半导体结构的材质包括氧化亚铜、砷化镓、磷化铟、氧化银、二氧化锡、二维材料或钙钛矿材料。

11、本申请还提供一种太赫兹探测装置的探测方法，应用于前述实施例的太赫兹探测装置的控制器，包括：

12、控制激光发射模块向半导体结构发射第一光信号，以使所述半导体结构接收所述第一光信号之后被激发形成里德堡激子并使所述第一光信号转换为第二光信号；

13、控制所述信号处理模块获取所述第二光信号转换之后的第一电信号；

14、控制所述信号处理模块获取所述第三光信号转换之后的第二电信号，以使所述信号处理模块根据所述第一电信号及所述第二电信号确定所述太赫兹信号的强度；所述第三光信号由所述半导体结构在所述太赫兹信号的作用下将所述第一光信号转化得到，所述第一光信号的光斑的至少部分与所述太赫兹信号的太赫兹斑在所述半导体结构重合，所述第三光信号与所述第二光信号不同。

15、本申请的有益效果包括：

16、本实施例中通过采用半导体结构的固态结构制备得到太赫兹探测装置，半导体结构可兼容半导体工艺，实现器件的小型化和集成化，降低器件结构的复杂程度，可拓展性强，具有较高的实用性。另外，由于半导体结构中的里德堡激子依托于固态体系，因此具有易于固态集成的天然优势。

17、本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

技术特征：

1.一种太赫兹探测装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的太赫兹探测装置，其特征在于，所述太赫兹探测装置还包括设置于半导体结构表面的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极均与所述半导体结构电连接以形成第一光电转换结构，所述第一光电转换结构与所述信号处理模块电连接，所述第二光信号经所述第一光电转换结构转换成所述第一电信号，所述第三光信号经所述第一光电转换结构转换成所述第二电信号。

3.根据权利要求1所述的太赫兹探测装置，其特征在于，所述半导体结构的材质为透光材质，所述太赫兹探测装置包括第二光电转换结构，所述第二光电转换结构设置于所述半导体结构远离所述激光发射模块的一侧，所述第二光电转换结构与所述信号处理模块电连接，所述第二光信号经所述第二光电转换结构转换成所述第一电信号，所述第三光信号经所述第二光电转换结构转换成所述第二电信号。

4.根据权利要求3所述的太赫兹探测装置，其特征在于，所述第二光电转换结构包括光电二极管、光电倍增管、光电晶体管、ccd图像传感器和cmos图像传感器。

5.根据权利要求1所述的太赫兹探测装置，其特征在于，所述信号处理模块根据所述第一电信号和所述第二电信号确定反映所述太赫兹信号强度分布的频域信号。

6.根据权利要求1所述的太赫兹探测装置，其特征在于，所述太赫兹探测装置还包括波长控制器，所述波长控制器与所述激光发射模块连接，用于控制所述激光发射模块发射的所述第一光信号的波长与目标波长匹配，所述目标波长为所述半导体结构激发形成里德堡激子所需的波长。

7.根据权利要求1所述的太赫兹探测装置，其特征在于，所述太赫兹光学模块包括至少一个抛物面镜和/或至少一个太赫兹透镜，设置于所述半导体结构的一侧，用于聚集太赫兹信号并使所述太赫兹信号射入所述半导体结构。

8.根据权利要求1的太赫兹探测装置，其特征在于，所述太赫兹光学模块包括设置于所述激光发射模块和所述半导体结构之间的抛物面镜，所述抛物面镜设有锥形孔，所述锥形孔的相对两端的开口分别朝向所述激光发射模块及所述半导体结构，所述锥形孔用于使所述第一光信号穿过并射入所述半导体结构。

9.根据权利要求1所述的太赫兹探测装置，其特征在于，所述半导体结构的材质包括氧化亚铜、砷化镓、磷化铟、氧化银、二氧化锡、二维材料或钙钛矿材料。

10.一种太赫兹探测装置的探测方法，应用于权利要求1~9任一项所述的太赫兹探测装置的控制器，其特征在于，包括：

技术总结本申请提供一种太赫兹探测装置及其探测方法。该太赫兹探测装置包括激光发射模块、半导体结构、太赫兹光学模块和信号处理模块。激光发射模块用于发射第一光信号；半导体结构用于接收第一光信号，被第一光信号激发形成里德堡激子并使第一光信号转换为第二光信号；半导体结构在太赫兹信号的作用下将第一光信号转化为第三光信号；太赫兹光学模块用于控制太赫兹信号的传播方向并使太赫兹信号聚焦，以使第一光信号的光斑的至少部分与太赫兹信号的太赫兹斑在半导体结构重合；信号处理模块用于获取第二光信号转换之后的第一电信号以及第三光信号转换之后的第二电信号，以确定太赫兹信号的强度。可实现，器件的小型化和集成化程度高。技术研发人员：孙洪波,方红华,周沄科,龙象受保护的技术使用者：清华大学技术研发日：技术公布日：2024/9/26