太赫兹量子级联激光器为本振源的超导外差集成接收机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种超导外差集成接收机，尤其涉及一种适用于太赫兹高频段(1.5-5.0 THz)的以太赫兹量子级联激光器作为本振参考源的超导外差集成接收机。
【背景技术】
[0002]太赫兹(THz)频段介于微波和远红外频段之间，该频段是现代天文学重要频段之一。太赫兹频段存在丰富分子转动谱线和精细结构原子谱线，对这些分子和原子谱线进行高分辨率观测可以研宄天体物体的化学性质与运动学特征。太赫兹波段分子转动谱线和精细结构原子谱线高分辨率观测对于理解早期宇宙演化、恒星和星系形成、行星及行星系统形成等具有非常重要的意义，在天体物理及宇宙学研宄中具有不可替代的作用。
[0003]分子和原子谱线高分辨率观测可通过相干检测(外差混频)实现。相干检测可同时检测信号幅度与相位信息，相干探测器(外差接收机)主要核心部件为外差混频器和本振参考源。
[0004]由于天文信号非常微弱，天文应用外差混频器主要为超导外差混频器。超导外差混频器与常规常温外差混频器相比，其灵敏度高一个量级以上，可达几倍量子极限，满足微弱信号检测需求。太赫兹频段主要应用超导外差混频器有超导隧道结混频器和超导热电子混频器。超导隧道结混频器工作原理是基于准粒子隧穿效应，其工作频率受超导材料能隙频率限制，主要应用于太赫兹低频段，如低于1.5 THz。超导热电子混频器属于热探测器，其工作频率不受超导材料能隙频率限制，可覆盖整个太赫兹频段，目前主要应用于太赫兹高频段(1.5-5.0 THz)ο
[0005]在本振参考源方面，太赫兹频段信号源主要有固态半导体源、红外气体激光器和太赫兹量子级联激光器等。固态半导体源通常应用于太赫兹低频段(低于1.5
THz以上频段，固态半导体源受寄生电抗效应限制输出信号功率急剧降低，难以满足本振参考源应用需求。红外气体激光器是目前实验室最常用的本振参考源，其输出功率大(可达上百毫瓦)，但其输出信号功率稳定性不高且体积较大，难以应用于实际天文观测。太赫兹量子级联激光器是一种新发展的本振参考源，近年来太赫兹量子级联激光器在输出功率，输出频率和工作温度等各个方面均取得显著突破，已成为太赫兹高频段(1.5-5.0 THz)本振参考源的重要选择之一。
[0006]2005年荷兰SRON小组首次将2.8 THz量子级联激光器作为本振参考源应用于超导热电子混频接收机实验中。由于太赫兹量子级联激光器和超导热电子混频器都必须工作在低温真空环境下，实验中他们利用两个4 K真空杜瓦分别冷却太赫兹量子级联激光器和超导热电子混频器，如图1所示。两个4 K真空杜瓦使得超导外差混频接收机结构变得非常复杂，考虑到地球大气中水汽对太赫兹高频段信号衰减严重，太赫兹高频段分子或者原子谱线高分辨率观测一般都基于空间或者气球望远镜，复杂结构超导外差混频接收机很难在实际天文观测中应用。为此，2008年德国DLR小组提出一种超导外差集成接收机，他们将太赫兹量子级联激光器和超导热电子混频器分别工作于真空杜瓦40 K和4 K冷级(即提供温度低于4K的低温环境)，但该超导外差集成接收机要求太赫兹量子级联激光器能在相对较高温度工作，同时真空杜瓦外需要可调光学元件耦合太赫兹量子级联激光器输出信号至超导热电子混频器，也给实际天文观测带来困难。所以，亟需开发一种结构简洁紧凑的无需可调光学元件将本振参考源信号耦合到混频器的能在太赫兹高频段(1.5-5.0 THz)实现高灵敏度探测的且易于实际应用的超导外差接收机。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种在太赫兹高频段(1.5-5.0 THz)实现高灵敏度探测、结构紧凑且易于实际应用的以太赫兹量子级联激光器为本振源的太赫兹超导外差集成接收机。在该集成接收机中，太赫兹量子级联激光器和超导热电子混频器都被集成于同一个真空杜瓦4 K冷级。本发明利用一个简单凸透镜对太赫兹量子级联激光器输出的本振参考信号波束进行整形，该凸透镜工作于上述真空杜瓦4 K冷级。经过整形后的太赫兹量子级联激光器输出的本振参考信号波束和被探测信号将通过在低温环境下工作的波束分离器耦合至超导热电子混频器。波束分离器低温工作可减小其自身热噪声，同时可避免空气扰动对波束分离器以及超导外差集成接收机工作稳定性的影响。该超导外差集成接收机中无需任何可调光学元件，且真空杜瓦外无需任何光学元件，易于在实际系统中集成应用。
[0008]为了实现上述的发明目的，本发明的技术方案是提供一种太赫兹量子级联激光器为本振源的超导外差集成接收机，其设计要点在于，包括:
量子级联激光器，其输出混频器工作所需的本振参考信号波束，激光器直流偏置和量子级联激光器电连接，用于向量子级联激光器提供直流偏置；
混频器，用于对被探测信号进行变频操作，所述本振参考信号波束经凸透镜整形后和被探测信号分别输入波束分离器，经耦合操作后由波束分离器输出并输入到所述混频器的输入端，混频器直流偏置和混频器电连接，用于向混频器提供直流偏置；
第一中频放大器，用于放大混频器输出的中频信号，第一中频放大器的输入端和混频器的输出端电连接；
第二中频放大器，用于放大第一中频放大器输出的中频信号，第二中频放大器的输入端和第一中频放大器的输出端电连接；
频谱仪，用于信号频谱分析，频谱仪的输入端和第二中频放大器的输出端电连接；所述量子级联激光器、凸透镜、波束分离器、混频器和第一中频放大器设置在同一低温真空环境中。
[0009]本发明在应用中，还有如下进一步改进的技术方案。
[0010]进一步地，所述低温真空环境的温度为4K，由真空杜瓦构建。
[0011]进一步地，所述量子级联激光器为太赫兹量子级联激光器。
[0012]进一步地，所述太赫兹量子级联激光器为低功耗的Bound-to-continuum类型太赫兹量子级联激光器。
[0013]进一步地，所述混频器为超导热电子混频器。
[0014]本发明实现了一种以太赫兹量子级联激光器为本振参考源的超导外差集成接收机，与常规超导外差接收机(使用两个杜瓦分别冷却超导热电子混频器和太赫兹量子级联激光器)相比，本发明所设计的超导外差集成接收机只需要一个温度为4 K的真空杜瓦，其结构简单紧凑。该超导外差集成接收机系统中无需任何将太赫兹量子级联激光器输出的本振参考信号波束耦合至超导热电子混频器的可调光学元件，易于在实际应用系统中集成。由于用于耦合太赫兹量子级联激光器输出参考波束的波束分离器也被集成在4 K低温环境下，其自身热噪声可相应减小，进而减小整个超导外差接收机噪声。波束分离器工作于低温真空下还可避免空气扰动以及声波对波束分离器以及超导热电子混频器工作的影响。另夕卜，与常规超导外差接收机(使用两个真空杜瓦)相比，本发明将量子级联激光器、凸透镜、波束分离器、混频器和第一中频放大器设置在同一个真空杜瓦实现的低温真空环境中，结构简单紧凑，同时制冷机(如闭循环制冷机)机械振动对混频器工作稳定性的影响也可相应减小。
[0015]有益效果
本发明将量子级联激光器、凸透镜装置、波束分离器、混频器和第一中频放大器设置在由同一个真空杜瓦实现的温度为4K的低温真空环境中，无需任何将太赫兹量子级联激光器输出信号耦合至超导热电子混频器的可调光学元件，结构简单紧凑，易于集成小型化；同时制冷机(如闭循环制冷机)机械振动对混频器工作稳定性的影响也可相应减小。
[0016]波束分离器工作在4 K低温真空环境下，一方面其自身热噪声相应减小，进而减小整个超导外差接收机噪声，另一方面波束分离器工作在真空下可避免空气扰动以及声波对波束分离器以及超导热电子混频器工作的影响。
【附图说明】
[0017]图1传统太赫兹超导外差接收机构造示意图。
[0018]图2本发明的太赫兹超导外差接收机构造示意图。
【具体实施方式】<