基于反斯托克斯发光及电磁微结构的太赫兹焦平面探测器

本发明属于探测器领域，具体涉及一种基于反斯托克斯发光及电磁微结构的太赫兹焦平面探测器。

背景技术：

1、太赫兹波是指频率位于0.1-10thz范围内的电磁波，处于微波波段与红外波段之间，也因此被称为太赫兹间隙。近年来，作为一种新型的电磁资源，太赫兹技术受到了广泛的研究，由于太赫兹波许多独特的性质，使得其在生物检测、高速通信、安全检测等领域有着很大的应用潜力。具体来说，由于太赫兹波的光子能量较低，且具有物质指纹谱特性，因此太赫兹技术可以被用于生物大分子的检测以及医疗检查工作；太赫兹器件的带宽天然大于微波频段的器件，其宽带特性极为契合未来高速通信的需求；常规的包装材料如纸张、塑料、纤维等无法阻挡太赫兹波的传输，在太赫兹波段呈现为透明状态，因此太赫兹技术在安全检测领域也有着广阔的前景。

2、在众多太赫兹技术与器件的研究中，太赫兹成像系统受到了广泛的关注。传统的扫描型太赫兹成像系统需要依次对预成像图片的每个像素点进行成像，最后合成为一张完整的二维图像，根据图像分辨率不同，这个过程通常需要耗费数十秒甚至几个小时的时间，已经无法满足对于实时太赫兹成像系统的需求。近年来，一种太赫兹焦平面成像系统的概念被提出并受到了广泛的关注，该系统使用凝视成像的工作方式，即将被观测物体某一时刻的太赫兹信号映射在焦平面阵列上，焦平面阵列中的每个阵元根据各自接收到的信号强度独立、同时的进行响应，再由阵列信号读出系统对阵列响应信号进行读出，从而在数十毫秒的时间内得到一张完整的二维图像，满足实时成像的需求。受到红外焦平面成像系统的启发，一些微测辐射热计作为阵元的焦平面成像系统也可在太赫兹波段拥有实时成像的功能。然而自然材料的吸波特性限制了微测辐射热计在太赫兹波段的响应，其吸收率仅为40％，这严重地影响了焦平面成像系统的灵敏度和成像质量。

3、综上所述，一种耦合效率高、灵敏度高、响应速度快的焦平面型太赫兹探测器将在太赫兹成像系统、医学检测、安检等领域发挥重要的作用。本发明将人工电磁微结构引入到太赫兹探测器中，极大的提高了探测器的耦合效率，从而提高探测器的灵敏度。并利用反斯托克斯发光原理，实现简易快速的信号读出。

技术实现思路

1、要解决的技术问题：

2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种基于反斯托克斯发光及电磁微结构的太赫兹焦平面探测器，采取了电磁微结构及反斯托克斯发光结构加载的技术方案，即通过电磁微结构提升特定频点处的吸波率，通过反斯托克斯发光结构读出信号。探测器工作频段为5.296-6.64thz，整个探测器为模块化设计，在5.296-6.64thz内实现了两倍于传统吸波薄膜的耦合效率，同时极大程度的简化了读出模块的结构。

3、本发明的技术方案是：一种基于反斯托克斯发光及电磁微结构的太赫兹焦平面探测器，包括耦合模块和表征模块，表征模块贴合于耦合模块的背面；

4、所述耦合模块为焦平面阵列，表征模块为掺杂了反斯托克斯发光粒子的pdms薄膜；耦合模块吸收照射到其表面的太赫兹辐射，并根据辐射功率大小产生对应的温度变化，表征模块同步产生温度变化；且由于焦平面阵列的各个阵元温度独立变化，表征模块的对应部位产生不同的温度变化，完成信号读出。

5、本发明的进一步技术方案是：所述耦合模块包括若干沿二维方向成周期性阵列的阵元，单个阵元包括电磁微结构阵列、支撑结构和硅衬底，所述电磁微结构阵列通过支撑结构水平设置于硅衬底的正上方；

6、所述电磁微结构阵列包括以n×n形式阵列的n2个电磁微结构单元，所述电磁微结构单元为三层结构，顶层与底层为金属，中间为介质层。

7、本发明的进一步技术方案是：所述电磁微结构阵列包括以5×5形式阵列的25个电磁微结构单元。

8、本发明的进一步技术方案是：所述电磁微结构单元的底层包括同心排布的圆环和圆，圆位于圆环内。

9、本发明的进一步技术方案是：所述电磁微结构单元底层圆的半径为r1，圆环内半径r3，外半径r2，其中r3＝r1+0.15μm，r2＝r3+0.15μm。

10、本发明的进一步技术方案是：所述反斯托克斯发光粒子为nayf4:yb3+,er3+，掺杂浓度限定在2wt.％。

11、本发明的进一步技术方案是：所述掺杂了反斯托克斯发光粒子的pdms薄膜厚度为0.5mm。

12、本发明的进一步技术方案是：所述硅衬底的厚度为0.3mm。

13、本发明的进一步技术方案是：所述支撑结构为方环形框架，由二氧化硅材料制成，相对介电常数4.2，正切损耗为0.003；用于将电磁微结构阵列悬空，使得电磁微结构阵列与硅衬底之间无直接接触，避免电磁微结构阵列与硅衬底之间发生过多热传导，从而实现了阵元之间热隔离的效果。

14、本发明的进一步技术方案是：所述探测器各参数设置如下：

15、 参数 p0 <![cdata[p₁]]> l <![cdata[w₁]]> <![cdata[w₂]]> <![cdata[t₀]]> <![cdata[t₁]]> <![cdata[t₂]]> <![cdata[t₃]]> <![cdata[r₁]]> <![cdata[r₂]]> <![cdata[r₃]]> 值(μm) 94.5 14.5 84.5 6 3 300 8 0.2 0.95 5.7 6 5.85

16、其中，p0为硅衬底的宽度，p1为电磁微结构单元的边长，l为支撑结构的边长，w1为支撑结构的宽度，w2为支撑结构上支撑凸块的宽度，t0为硅衬底的高度，t1为支撑结构的高度，t2为电磁微结构阵列底层金属的厚度，t3为电磁微结构阵列中间介质层的厚度，r1为电磁微结构单元顶层圆的半径，r2为电磁微结构单元顶层圆环外半径，r3为电磁微结构单元顶层圆环内半径。

17、有益效果

18、本发明的有益效果在于：本发明本发明为一种基于反斯托克斯发光及电磁微结构的太赫兹焦平面探测器，对比现有太赫兹探测器，主要优势体现在：

19、(1)本发明探测器实现宽带太赫兹波高效吸收

20、本发明中的耦合模块为电磁微结构，且其谐振层内包含圆和圆环两种谐振结构，二者同心排布，在结构参数的限定下，可以实现宽带吸波，吸收率高于90％，远高于现有的采用天然吸波材料作为耦合结构的太赫兹探测器(40％)。且人工电磁微结构的吸收频段可根据使用场景进行灵活设计，仅需调整其结构参数r1。

21、所述电磁微结构的吸波特性主要取决于其顶层的谐振结构，本发明中的顶层谐振结构有两个，即“圆+圆环”同心排布。由于圆和圆环的尺寸不同，且二者的谐振原理有所区别，因此二者分别在不同的频率谐振。当两个结构所对应的谐振峰在频谱上足够接近时，两个谐振峰会合并为一个宽带峰，也就实现了宽带吸波。为了实现这一特征，二者的尺寸需要有差异，但也不能差距过大，否则会导致两个谐振峰频率相差过大，无法合成宽带峰。如图4所示为一个案例，此时r1＝5.7μm，本发明所提供的电磁微结构可在5.296thz到6.24thz内达到90％以上的吸收率，对比传统吸收薄膜，吸收率实现翻倍。

22、(2)本发明探测器工作在室温常压下

23、本发明探测器被设计工作在293k温度下，无需额外制冷以及真空维持设备。减小制备成本，拓展应用场景。

24、本发明探测器工作过程中能量转换为“电磁能量—结构热能—反斯托克斯发光”。引入了电磁微结构来提升探测器的耦合效率，因此在室温常压下就可以获得足够多的热量升高；且表征模块对热量的感知记为敏感，可以分辨很小的热量变化，所以可以对热量升高进行读出，并展示位反斯托克斯发光强度。因此，探测器可实现在室温常压下的高灵敏探测。

25、(3)本发明探测器可满足实时成像需求

26、本探测器具备焦平面阵列形式，阵列规模达到了256×256，且阵元的响应时间约为90ms，基本满足实时成像的需求，对比现有扫描式太赫兹成像系统，成像时间有了数量级级别的提升。

27、(4)本发明探测器无需读出电路

28、本发明由于引入了反斯托克斯发光粒子作为表征模块，无需在半导体晶圆上集成读出电路，极大的缩短了制备周期，降低工艺成本，提升制备成功率。且实现了模块化设计，表征模块与耦合模块均可独立更换，有利于实现探测器工作频段的灵活设计，以及表征模块的维护更新。

29、在结构上，表征模块和耦合模块分开制备，二者在制备之后再进行贴合，只需要保证其在物理结构上紧密接触即可，因此在使用维护过程中，可随时更换模块，来保证探测器的性能。

30、在原理上，表征模块的反斯托克斯发光微观过程如图7所示，其中nayf4粒子作为基质，yb3+粒子作为吸收剂，将会吸收照射在表征模块上的980nm波长红外辐射，并将能量传递到其周围的er3+粒子中，er3+粒子即是反斯托克斯发光粒子。由此，表征模块发出绿光分为两步，首先是yb3+粒子吸收红外辐射并将能量传递至er3+粒子，er3+粒子吸收能量发生能级跃迁，发出绿光。而绿光有两个波长的光组成，如图8所示，二者的波长分别为520nm、540nm。在表征模块发出的绿光中，两种波长的光强度比例不同，且随着表征模块温度的变化，两种光的强度比例会随之变化，满足关系式：

31、

32、式中i520、i540分别表示波长为520nm、540nm的光的强度，a为常数，δe为2h11/2能级和4s3/2能级之间的能量差，k为玻尔兹曼常数，t为结构的绝对温度。两种光强度的比例随温度变化如图9所示，可以看到在多次反复的加热、冷却过程中，该比例与温度之间的变化关系非常稳定。

33、因此，表征模块可以实现对耦合模块温度的表征，进而实现入射太赫兹辐射功率的探测，且性能表现非常温度。