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一种自混频太赫兹探测器响应度参数的标定装置和方法

发布时间:2019-07-08 21:21 来源:未知 编辑:admin

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  本发明提供了一种自混频太赫兹探测器响应度参数的标定装置和方法。本发明所述装置至少包括太赫兹源模块、探测器模块、平移台和夹具装置、光学镜片组、数据采集处理模块和显示模块等6部分。由于传统标准光源定标方法自身不确定度较高,且在定标过程中易引入一些无法准确测量的不确定度因素等误差,本发明的单像元场效应自混频太赫兹探测器响应度参数的标定方法和装置使用标准探测器对比的定标方法,可以对单像元太赫兹探测器实现精确定标,降低量值传递的不确定度。并通过在波路中加入监视探测器,消除波源稳定性对于传递结果的影响,使标定结果更准确。

  本发明属于测试计量技术领域,涉及一种单像元场效应自混频太赫兹探测器响应度参数的标定方法和装置。

  太赫兹介于红外和微波频段之间,是连接电子学和光子学的桥梁,在信息科学、材料科学、生物化学等许多领域具有重要应用价值和重大应用潜力。近年来,在高速宽带通信、功能材料研制、生物医学成像、机场港口安检、地沟油检测、危险化学品监测预警等许多领域的应用日益广泛。室温、高速、高灵敏度单像元场效应自混频太赫兹探测器的高速和高灵敏度性能已在中国电子科技集团公司第五十研究所的快速太赫兹成像仪和成都电子科技大学的太赫兹通信演示系统中得到试验验证,其综合指标优于热释电和高莱等商业化太赫兹探测器。但由于缺乏有效的测量方法和测量仪器,太赫兹计量仪器量值很难溯源,测量准确度和有效性较难评估,限制了太赫兹技术的发展和广泛应用。

  响应度参数是描述器件光电转换能力的物理量,也是决定单像元太赫兹探测器性能的一个非常重要的指标。近年来,关于太赫兹探测器的标定在国际上引起了相关的关注,2009年,德国国家计量院PTB的Andreas Steiger等将太赫兹辐射量值溯源至光谱辐射低温辐射计,在国际上首次实现了2.5THz频率处太赫兹辐射度的量值溯源,但是低温辐射计辐射吸收腔在太赫兹波段的腔体吸收率无法准确评估,因此只给出了7.3%的合成不确定度(包括因子k=1)。2011年,美国标准技术研究院NIST的John Lehman等利用1.5mm高垂直生长的碳纳米管阵列在0.76THz频率处实现了99%的吸收率。然而在太赫兹波段,他们只给出了0.76THz频率处的测量结果。另外,碳纳米管制备工艺复杂且容易碳化,限制了这种材料的应用。2013年,中国计量科学研究院(NIM)研制了一种混合涂层,在太赫兹宽波段范围内吸收率高,并且易于制备,通过此涂层作为吸收材料制成的标准探测器有利于将太赫兹辐射量值溯源至国际单位。

  目前太赫兹探测器的计量存在局限性,太赫兹探测器的计量多采用标准光源定标方法,其自身不确定度较高,且在定标过程中易引入一些无法准确测量的不确定度因素。因此,为进一步提高定标精度,提供一种使用标准探测器对比定标方法的单像元场效应自混频太赫兹探测器响应度参数的标定方法和装置实属必要。

  针对背景技术的不足,本发明的目的在于提供一种单像元场效应自混频太赫兹探测器响应度参数的标定方法和装置,可以对单像元场效应自混频太赫兹探测器实现精确定标,降低量值传递的不确定度。

  为达到上述目的,本发明提供一种单像元场效应自混频太赫兹探测器响应度参数的标定装置至少包括太赫兹源模块、探测器模块、平移台和夹具装置、光学镜片组、数据采集处理模块和显示模块。

  所述太赫兹源模块至少包括单频太赫兹源、倍频器和驱动电源,将所述单频太赫兹源与所述驱动电源连接,用于将所述单频太赫兹源在所述驱动电源驱动下辐射出单频太赫兹光。所述倍频器用于整数倍的改变单频太赫兹源的信号频率。

  所述探测器模块至少包括标准探测器、待测探测器和监视探测器,用于作为计量标准实现量值溯源。所述监视探测器分别与所述标准探测器和所述待测探测器进行同时测量,用于消除太赫兹波源稳定性对于传递结果的影响。

  所述平移台和夹具装置至少包括精密平移台和夹具,所述精密平移台和夹具用于装夹所述标准探测器和所述待测探测器,并通过计算机控制所述标准探测器和所述待测探测器进行位移切换,使两探测器分别移入波路。

  所述光学与镜片组至少包括一组聚乙烯光学镜和分束器,所述聚乙烯光学镜放置于所述单频太赫兹源一侧,用于汇聚太赫兹光。所述分束器用于将单频太赫兹光进行分束,一束波路进入监视探测器,一束波路照射到平移台,通过计算机控制位移台切换,波路分别进入标准探测器和待测探测器。

  所述数据采集处理模块至少包括测量信号放大电路和示波器,所述测量信号放大电路用于将探测器输出的电压值进行放大,所述示波器分别与所述驱动电源,所述标准探测器,所述待测探测器和所述监视探测器连接,用于对信号进行显示和读取。

  可选的,所述精密平移台为精密电控平移台,可用计算机SC 300软件对平移台进行位移控制。

  可选的,所述聚乙烯光学镜为一组聚乙烯透镜的组合,至少包括两个聚乙烯透镜。

  本发明还提供一种采用如上装置对单像元太赫兹探测器响应度参数的标定方法,至少包括以下步骤:

  S1:打开所述驱动电源使其输出电压稳定于9.5V,使其与所述单频太赫兹源连接,辐射出的单频太赫兹光经过所述聚乙烯光学镜汇聚后,通过所述分束器进行分束,一部分波路进入所述监视探测器,一部分照射在所述平移台的接收面上,所述标准探测器和所述待测探测器装夹于所述平移台上,通过计算机控制所述平移台上探测器的位移切换,可使两探测器分别移入波路;

  S2:在一定频率点f处用氦氖激光器标定所述标准探测器,得到标准探测器的响应度RTHz,将所述标准探测器移入波路,对标准探测器和监视探测器经过测试信号放大电路后同时进行信号采集,标准探测器进行信号采集时的电信号为UTHz,此时,监视探测器进行信号采集时的电信号为UMTHz。

  S3:将所述待测探测器移入波路,对待测探测器和监视探测器经过测试信号放大电路后同时进行信号采集,得到待测探测器进行信号采集时的电信号为Ux,此时,监视探测器进行信号采集时的电信号为UMx,则待测探测器的响应度Rx为

  如上所述,由于传统标准光源定标方法自身不确定度较高,且在定标过程中易引入一些无法准确测量的不确定度因素等误差,本发明的单像元场效应自混频太赫兹探测器响应度参数的标定方法和装置使用标准探测器对比的定标方法,可以对单像元太赫兹探测器实现精确定标,降低量值传递的不确定度。此外,应确定标准探测器位置,确保接收相同位置的束斑并且波路中心在同一水平线。经预热等处理后进行信号采集,测定指定频段信号,采集多次取平均值,以消除测量中的随机误差。然后将待测的探测器移入波路,同样在指定频段上采集信号。影响探测器响应度测试的主要因素包括波源功率稳定性、束斑均匀性、探测器定位以及随机误差和系统噪声等。通过在波路中加入监视探测器,可以消除波源稳定性对于传递结果的影响,使标定结果更准确。

  图1是本发明的单像元场效应自混频太赫兹探测器响应度参数的标定方法和装置标定方法流程图。

  图2是本发明的单像元场效应自混频太赫兹探测器响应度参数的标定方法和装置的结构与光路示意图。

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