前言：

太赫兹波具有很多优于其他波段的特性，包括穿透性强、能量低、分辨率高等，这些特性决定了太赫兹波在无损检测、人体安检成像、医学分析等众多领域有着广阔的应用前景。在太赫兹技术的各项应用中，太赫兹探测器作为系统组成的关键器件，其性能的发展对整个太赫兹领域至关重要。

太赫兹

基于场效应晶体管的太赫兹探测器可实现在太赫兹全波段的高速高灵敏度探测，并且制备工艺简单，相较于其他类型的探测器有明显的发展优势。然而这种探测器的有效受光面积小，且光学灵敏度差，导致探测灵敏度受限，因此需要利用光学器件将太赫兹波汇聚到太赫兹天线上，提高太赫兹波的能量利用率。

（a）太赫兹探测器与超表面透镜集成模型；(b) 超表面单元阵列的相位调控示意图；(c) 太赫兹天线结构示意图

太赫兹技术与探测器简介

一、太赫兹技术

太赫兹波是指频率范围为 0.1- 10 THz 的电磁辐射，其对应的波长为 30 μm-3 mm，在频谱中位于微波和红外之间。

目前对于太赫兹波段两侧的微波和红外技术的相关研究已比较成熟，然而由于高效太赫兹源、太赫兹探测器以及其他相关器件的缺乏，太赫兹波段的研究数据较少，甚至一度成为“太赫兹空隙”。

THz 波的位置

近几十年来，随着半导体技术的快速发展，太赫兹科学和技术得以进一步研究，成为电子学和光学等多领域的热门学科。

太赫兹有四点优势，其一就是它的穿透性强，太赫兹波可以穿透多种介电材料和非极性液体，比如衣服木材和塑料等，但遇到极性分子时会被强烈吸收，遇到金属时则会被反射。

第二则是低能量性，太赫兹波的光子能量为毫伏量级，远小于电离程度，并且大多数太赫兹系统的功率都较小，并且百万倍小于人体产生的辐射，因此生物暴露在太赫兹辐射下具有一定安全性。

第三是太赫兹波的分子吸收特性，许多有机材料在太赫兹范围内具有独特的吸收特性，比如爆炸物及其相关化合物，因此可以根据他们独特的光谱特征进行识别，以探测隐蔽的爆炸物。

最后，空间分辨率高的太赫兹波的波长相较于微波波长更短，因此具有比微波更 好的空间分辨率，能够进行毫米波或亚毫米波的尺寸测量，可以实现高速，高分辨率成像安检。

太赫兹优势示意图

因此对太赫兹技术的深入研究在各个领域具有重要意义，推进太赫兹系统的组成器件优化成为多个学科的研究重点，决定了太赫兹技术从理论发展到实际应用的关键。

二、探测器

在太赫兹应用技术中，太赫兹探测器作为重要器件，其性能对整个太赫兹领域的发展有重要意义，太赫兹探测器是用以接受太赫兹波辐射，然后将其转换为可以处理的电信号，因此太赫兹探测器实质上是一种特殊的传感器。

常见的太赫兹探测器根据其辐射的物理机制主要有两种：基于太赫兹光子释放能量的热释电探测器以及基于太赫兹光子与探测器中电子相互作用的高莱电子探测器。

太赫兹探测器体系图

高莱探测器的核心是一层附着在密封气体上的薄膜，当受到太赫兹波辐射时，热量的增加会使气体膨胀造成薄膜形变。通过测量薄膜上检测镜的移动，就能间接测量到太赫兹辐射。

高莱探测器的优点是可以在室温下工作，并且使用简单，但它探测能量受到探测器本身热波动的限制，同时由于热质量大，响应速度相对较慢。

高莱太赫兹探测器示意图

热释电探测器是利用自发极性材料的自发极化强度随温度变化的特性对太赫兹波进行探测，将热释电材料作为电介质插入到电容器中，当热释电材料吸收太赫兹辐射而温度升高引起极化强度的变化，将在材料表面产生瞬态电压，从而达到对太赫兹辐射进行检测的目的。

热释电探测器也具有室温操作和相对简单的优点，但内部热噪声大，它的结构比高莱探测器紧凑，但敏感性差，响应时间更长。

热释电太赫兹探测器示意图

太赫兹探测器原理

一、二维电子气形成极其结构

太赫兹探测器的结构材料一般为氮化镓（GaN），这种太赫兹器件的主要结构在于沟道内部二维电子气，而氮化镓是一种具有纤锌矿结构的材料，其中的Ga原子处于晶面顶部,自发极化方向指向衬底。

而对于N面，N 原子处于晶面最上层，自发极化指向表面，由于两种原子相反的极化方向会使晶体的结构内部产生自发极化电场，使得材料接触面的电子被沿垂直面方向束缚，高浓度的电子气将沿着接触面运动，从而形成了二维电子气。

二维电子气的产生原理

由于两种物质的接触面晶格失配而产生压力堆积，从而产生了压电极化效应，再加上自发极化效应与压电极化效应的共同作用，最终使得材料与材料的接触面会有高浓度的电荷被限制，并且只能在二维面内迁移。

1996年美国伦斯勒理工学院的两位科研人员首次提出可以利用等离子体波非线性理论对太赫兹波进行检测，为后续太赫兹波混频探测提供了理论基础。

基于缓变沟道近似的自混频检测模型，探测器由特殊设计的非对称碟形天线和栅控二维电子气沟道构成，也就是说，当太赫兹波入射到探测器非对称蝶形天线上，将会在二维电子气沟道内产生水平沟道方向的电场和垂直于沟道的电场来调控沟道内电子的漂移速度，从而引起太赫兹响应。

蝴蝶形天线示意图

在这种效应下一定厚度的蓝宝石衬底上，通过外延生长的工艺生长几十微米的GaN和AlGaN材料，形成异质结，利用这种材料的自发极化，在两种材料的接触面形成具有高电子迁移率的二维电子气(2DEG)，这种二维电子气的电子迁移率在低温下是常规半导体场效应晶体管的1000倍，能够实现高灵敏度和高信噪比的工作。

二、光学耦合

因此科研人员发现，提高入射太赫兹波的电场强度可以有效提高太赫兹探测器的响应，可以通过汇聚的太赫兹波提高入射太赫兹波电场强度。然而由于太赫兹范围内的电磁波波长较长，汇聚后的光斑尺寸很大，而优化后的太赫兹天线尺寸较小，导致汇聚光斑与太赫兹探测器的有效接受面积尺寸失配，使得入射太赫兹波的很大一部分能量得不到有效利用。

为此科研人员借鉴了可见光和微波领域探测的方法，将太赫兹探测器与光学器件进行集成，能够将太赫兹光斑尺寸缩小到与太赫兹天线同一量级，常用的光学器件有超半球硅透镜和喇叭波导等。

太赫兹探测器探测机理图

另一种提高太赫兹波耦合效率的方式是将太赫兹探测器与喇叭波导进行集成，太赫兹波从喇叭口入射，然后耦合进入直波导，以波导模式传输，从波导口出射后入射到探测器衬底上在太赫兹天线上汇聚，光斑尺寸也可以缩小到与太赫兹天线同一量级，增强太赫兹区域内电场强度，从而提高太赫兹探测器对入射波的有效利用率，但喇叭波导的尺寸较大，不利于太赫兹探测器模组的组装，并且对于太赫兹波的电场增益效果比硅透镜低，所以我们一般优先选择硅透镜集成。

喇叭波导模型

准光学超透镜原理及简介

传统的光学器件是通过几何光程的累积来实现电磁波相位的调控，受材料折射率的限制， 这类器件通常需要累积较大的光程差以达到所需要的相位差，因此光学器件的体积庞大，难以进行集成并且损耗较大。

超表面是通过不同结构的亚波长单 元去任意改变电磁波的相位变化，灵活性大，同时由于其结构的特殊性，超表面器件通常都很轻薄易且具有集成低损耗等特点。

超表面原理图

一、光学原理

超透镜涉及到两种光学原理，第一种是传统斯涅耳定律，当一束光线入射到折射率不同的两种介质的界面时，会被分为一束透射光线和一束反射光线，透射光线进入到第二种介质中，反射光线返回到第一种介质中，在这种情况下，光线会在两种介质界面处发生折射，并且折射角的大小是与两种介质折射率大小有关。

第二种是菲涅尔原理，即电磁波的波阵面上每一点都可以看作是下一时刻波阵面形成的次级扰动中心，并且以后任何时刻的波阵面都可以看作是这些子波的包络。

菲涅尔原理作为波动光学的基本原理之一，更加准确解释了光的传播特性，对于研究光的波动性具有重要的意义，根据菲涅尔原理来改变电磁波传输的波阵面是调控波束传播路径的重要方法，超透镜的表面的单元结构在改变波束传播过程中的相位差相当于经过波束不同单元结构后产生了多个相位不同的次级子波，这些子波在传播过程中形成新的波阵面，从而改变整个波阵面的传播方。

菲涅尔透镜设计过程示意图

二、材料设计与选择

在太赫兹频率内，由于高效的太赫兹源的缺乏和自由空间传播的损耗，信噪比不是很高，因此太赫兹器件的高效率工作对于系统应用具有关键作用，透镜在太赫兹波段的使用并不广泛，因为在太赫兹波段难以找到一种实用的透镜材料。因此在设计透射型超表面时，应当优先选择在太赫兹波段损耗小的材料。

石英晶体在太赫兹波段具有优越的性能，并且可以用来传输可见光，有利于光路的搭建和准直，但是石英石属于双折射率材料，其色散非常大且对频率依赖性强，折射率会随波长的增加而变大。

对于聚合物来说，在长波段，透射率曲线较为平坦，在在短波长情况下内部的不均匀性会导致一些散射波波动，常用的TPX价格便宜，同时TPX材料具有非常优良的热阻，抗腐蚀性强，是很坚硬的固定材料。

高阻硅也是太赫兹镜头中比较常见的材料，也是唯一适用于各个范围的各向同性晶体材料。

太赫兹波段高阻硅透射谱

结论

为了保证所设计超透镜的工作效率，选取的材料需要在太赫兹波段具有高透射率，虽然有机材料的透射率高损耗小，但是为了使透镜焦距合理需要增加透镜的厚度，这就容易导致吸收损耗的增加，同时有机材料一般难以进行微纳加工。

因此我们对于太赫兹波吸收损耗小，折射率较高的高阻硅材料进行准光学超透镜的设计时，应选择高阻硅材料易于进行微纳加工，从而可以实现超透镜的实际工艺制备。