一种光子筛选型太赫兹超导纳米线探测器及其探测方法

1.本发明涉及太赫兹多光子探测技术领域，尤其是涉及一种光子筛选型太赫兹超导纳米线探测器及其探测方法。


背景技术：

2.太赫兹是介于微波和红外辐射之间的一种电磁辐射。太赫兹辐射在安全、材料科学、通信和医学领域有着重要的应用价值，太赫兹波能够对肉眼看不到的癌组织进行成像；可用于新一代安全快速的机场扫描仪，使其能够区分药物与非法药物和爆炸物，并可用于实现超越最先进水平的更快无线通信等等。
3.研究太赫兹的高灵敏度多光子探测器，对于扩展太赫兹的应用有着十分重要的意义，量子阱太赫兹探测器具有稳定性好、相应速度快、易制作大平面阵列等优点，已经成为近年来太赫兹探测器领域的研究热点。然而，传统半导体量子阱太赫兹探测器不具有光增益功能，因而光响应率差，应用受到很大限制。不仅如此，随着半导体技术的不断发展，对单一太赫兹光子的窄带探测器已满足不了更多功能的需求，如何对入射光束中的多种不同太赫兹光子进行同步的高灵敏度检测一直是该领域长期追求却又面临严峻挑战的前沿难题。
4.为实现对入射光束中的多种光子进行探测，现有技术须对入射光束进行空间分光，即将不同光子通过衍射光栅等技术分光至不同的空间区域，然后对每一路单一的光子设计专门的探测器单元进行探测。但这样的色散分光方案必须在多个空间光学元件的配合下才能进行，而无法在单片集成的探测器上实现，这不仅严重影响了应用的便捷性，而且在共焦显微镜等对光路校准精度要求苛刻的应用中，将难以实现针对不同光子的多光路同步精确校准。因此，单片集成的多光子探测是该领域发展的必然趋势。
5.当前已有的单片集成多光子探测技术主要采用基于滤波分光的方法，即入射光束入照到单片集成的含多个像元的阵列探测器上，在不同像元处采用不同的滤波材料或光栅结构，使得不同像元只探测目标光子中的一种。然而，该方法在每个探测像元处均损失了除目标光子之外的其他波长的入射光子，这使得该单片集成的阵列探测器件整体的多光子探测效率性能较差。譬如：针对n种不同光子的探测中，假定每种光子的探测像元面积为a，则总探测面积为na，入射光束则应不小于na，此时对每种光子的理论最高探测效率极限为1/n。不仅如此，由于对不同光子的光敏探测区域在空间上是分散的，因此在需要精准光路的应用中，同样难以对不同光子进行空间光路的精准优化。为实现单一区域的多光子探测，现有研究公开了一种采用同一宽带响应光栅、通过切换半导体能带结构实现两种波长光子探测切换的方法，然而该方法必须在时序上区分探测两种光子，即在t1时段探测λ1光子(t2时段探测λ2)，因此在t1时段损失了同时入照的λ2光子(t2时段损失了λ1光子)，故对于每种探测光子，该方法同样受限于1/n的有效探测效率上限。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种光子筛选型太
赫兹超导纳米线探测器及其探测方法，能够便捷、精准地实现对多光子在单像元区域的高效高灵敏度同步探测。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种光子筛选型太赫兹超导纳米线探测器，包括自上而下依次设置的超导纳米线耦合光栅层、介质层和金属层，所述超导纳米线耦合光栅层包括用于耦合多种目标太赫兹光子的子光栅结构，所述子光栅结构用于分别耦合增强和吸收不同光子的近场光强，并分别对应输出产生的光电信号；
8.所述介质层用于传导太赫兹光子，并配合超导纳米线耦合光栅层和金属层，以形成超材料完美吸收体微腔，用于束缚光场；
9.所述金属层用于全反射目标太赫兹光子。
10.进一步地，所述子光栅结构具体采用具有多周期特征的周期性超材料结构，以对不同的光子进行筛选、并在空间上区分。
11.进一步地，所述子光栅结构包括多个超导子光栅，所述多个超导子光栅分别对应连接有光电信号检测电路，所述光电信号检测电路用于检测光子集中在超导子光栅区域近场增强并被吸收而产生的电阻变化信号。
12.进一步地，所述介质层贴合于超导纳米线耦合光栅层的底部，所述介质层位于子光栅结构的正下方近场范围内。
13.进一步地，所述介质层具体由硅、砷化镓、二氧化硅或氧化铝制成。
14.进一步地，所述金属层贴合于介质层的底部，所述金属层位于介质层的正下方近场范围内。
15.进一步地，所述金属层具体由金、银、铜、铌、铝、铬或钛制成。
16.一种光子筛选型太赫兹超导纳米线探测器的多光子探测方法，包括以下步骤：
17.s1、根据目标多光子，设计具有对应多个超导子光栅的子光栅结构；
18.s2、将每一个超导子光栅对应连接一个独立的光电信号检测电路，其中，光电信号检测电路具体采用四端法或两端法进行电阻变化信号的检测。
19.进一步地，所述步骤s1具体是采用电磁场数值计算模拟方法，以设计具有对应多个超导子光栅的子光栅结构。
20.进一步地，所述步骤s2中，若光电信号检测电路采用四端法，则在在超导子光栅两端通入恒定电流，并在超导子光栅两端外接电压表，通过读取电压的变化来测量探测器由于太赫兹光子导致的电阻变化信号；
21.若光电信号检测电路采用两端法，则在超导子光栅两端输入恒定电压、并串联电流表，通过读取电流的变化来测量探测器由于太赫兹光子导致的电阻变化信号。
22.与现有技术相比，本发明采用多光子筛选方式，通过设置具有光子筛选功能的超导纳米线耦合光栅层，能够同时耦合入射的多光子、并分别压缩至不同的子光栅近场范围内吸收，继而利用超导纳米线低能隙和热雪崩效应将光信号进一步放大，再通过超导纳米线两端的电压(或电流)信号中反应出光信号强度。因此，本发明综合利用子光栅结构的高效多光子耦合和筛选效率，以及超导纳米线低能隙和热雪崩效应，实现了对多光子在单像元区域的高效高灵敏度同步探测。
23.本发明在超导纳米线耦合光栅层设置包括多个超导子光栅的子光栅结构，能够耦合多种目标光子，即能够分别耦合增强不同光子的近场光场，该过程可被看作入射光束中
的多光子(λ1、λ2、
…
、λn)被自动筛选并压缩至各自的子光栅区域内，并且每种子光栅结构均具有亚波长特征(即：线宽《波长)，而每个超导子光栅本身就是探测单元，因此能做到对目标太赫兹光子实现100％的探测效率。特别值得注意的是，该过程和效率对入射光束中的每种光子均成立，因而可以同时实现每种光子的接近100％探测效率的理想探测，故不再受限于现有已公开技术的1/n探测效率上限。
24.本发明将各超导子光栅对应连接光电信号检测电路，利用多个超导子光栅在同一光敏探测区域同时对应进行多光子探测，本发明在应用中无需进行分光处理、也无需对多种光子进行单独的光路校准；此外，本发明能够直接采用成熟的材料和器件工艺，即可实现单片集成的多光子单像元探测器件，具有应用便捷、实施简单可靠的优点。
附图说明
25.图1为实施例中光子筛选型太赫兹超导纳米线探测器的结构示意图；
26.图2为光子筛选型光栅的典型频谱响应曲线图；
27.图3为光子筛选型光栅的能流和近场光场分布示意图；
28.图中标记说明：100、λ1光子对应超导子光栅，101、λ2光子对应超导子光栅，200、介质层，300、金属层。
具体实施方式
29.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
30.实施例
31.如图1所示，一种光子筛选型太赫兹超导纳米线探测器，包括自上而下依次设置的超导纳米线耦合光栅层、介质层200和金属层300，位于顶层的超导纳米线耦合光栅层包括用于耦合多种目标太赫兹光子的子光栅结构，子光栅结构用于分别耦合增强和吸收不同光子的近场光强，并分别对应输出产生的光电信号(光电流或光电压)；
32.位于中层的介质层200用于传导太赫兹光子，并配合超导纳米线耦合光栅层和金属层300，以形成超材料完美吸收体微腔，用于束缚光场；
33.位于底层的金属层300用于全反射目标太赫兹光子。
34.其中，子光栅结构采用具有多周期特征的周期性超材料结构，以对不同的光子进行筛选、并在空间上区分。子光栅结构包括多个超导子光栅，多个超导子光栅分别对应连接有光电信号检测电路，光电信号检测电路用于检测光子集中在超导子光栅区域近场增强并被吸收而产生的电阻变化信号。本实施例中，子光栅结构设置有λ1光子对应超导子光栅100和λ2光子对应超导子光栅101，光子λ1集中在超导子光栅100区域近场增强并被超导子光栅100吸收，从而产生电阻的变化，再由超导的子光栅100连接的光电信号检测电路检测输出电阻的变化信号；光子λ2集中在超导子光栅101区域近场增强并被超导子光栅101吸收，从而产生电阻的变化，再由超导子光栅101连接的光电信号检测电路检测输出电阻的变化信号。
35.具体的，超导纳米线耦合光栅层(如图1中100和101)具有图2所示光谱响应，由此实现对入射光束(λ1、λ2)的光子筛选功能，即将λ1光子筛选压缩至超导子光栅100区域附近，将λ2光子筛选压缩至超导子光栅101区域附近，光场分布如图3所示，图3中箭头标识即为光
场增强的区域，该场分布图给出了有限时域差分方法模拟得到的电场的空间分布，由图3可知，λ1光子被筛选后主要分布于超导子光栅100下，λ2光子被筛选后主要分布于超导子光栅101下。
36.本实施例中，超导子光栅100和101均为60nm的超导铌层，光栅结构参数为：w1＝0.6μm(超导子光栅100宽度)，w2＝1μm(超导子光栅101宽度)；两个超导子光栅的周期是p1＝4.5μm，超导子光栅100和101两边沿的间距为d1＝0.35μm。超导纳米线耦合光栅层(100和101)的图形制备可以通过电子束曝光图形之后用反应离子束刻蚀。
37.此外，介质层200贴合于超导纳米线耦合光栅层的底部，介质层200位于子光栅结构的正下方近场范围内。介质层200的材料根据所设置的目标太赫兹光子的波长，可以是硅、砷化镓、二氧化硅、氧化铝等。
38.金属层300贴合于介质层的底部，金属层300位于介质层的正下方近场范围内。金属层300的材料可以是金、银、铜、铌、铝、铬、钛等具有反射目标太赫兹光作用的材料。
39.本实施例中，介质层200为0.28μm的硅，金属层300为100nm的铌。上述的材料均可以通过磁控溅射的方法生长。
40.将上述技术方案应用于实际，以实现一种光子筛选型太赫兹超导纳米线探测器的多光子探测方法，包括以下步骤：
41.s1、根据目标多光子，设计具有对应多个超导子光栅的子光栅结构，本实施例是根据目标双光子，设计具有对应双子光栅结构的超元胞光栅结构；
42.在步骤s1中，设计方法具体为电磁场数值计算模拟，包括有限时域差分方法和有限元法；
43.s2、将每一个超导子光栅对应连接一个独立的光电信号检测电路，其中，光电信号检测电路具体采用四端法或两端法进行电阻变化信号的检测，本实施例采用平面加工工艺制作单片集成的光子筛选型太赫兹超导纳米线结构；
44.在步骤s2中，若光电信号检测电路采用四端法，则在在超导子光栅两端通入恒定电流，并在超导子光栅两端外接电压表，通过读取电压的变化来测量探测器由于太赫兹光子导致的电阻变化信号，其中，通入的恒定电流可直接由恒定电流表提供，或者由恒定电压表串联大电阻(比探测器正常态电阻大10倍)的方法来实现；
45.若光电信号检测电路采用两端法，则在超导子光栅两端输入恒定电压、并串联电流表，通过读取电流的变化来测量探测器由于太赫兹光子导致的电阻变化信号。
46.本实施例将超导子光栅(100和101)两端各自分别独立外接电表，在通入恒定电流(或者恒定电压)的同时检测探测器两端电压(或者通路电流)，通过在各自子光栅电表上检测到的电压(或者电流)信号大小，以读取对应光子(λ1和λ2)的信号强度。
47.采用上述探测方法，在实际的显微镜应用中，仅需对入射光束整体进行聚焦收集，而不需要考虑入射光束的不同光子组成；并从单一的器件上可以同时获取多种光子对应的光信号强度信息。
48.综上所述，本技术方案提出一种光子筛选型太赫兹超导纳米线探测器，包括由上中下相对设置的超导纳米线耦合光栅层、介质层和金属层所形成的超材料完美吸收体微腔，顶层的超导纳米线耦合光栅层包含可以耦合多种目标太赫兹光子的子光栅结构，能够分别耦合增强不同光子的近场光场；该过程可被看作入射光束中的多光子(λ1、λ2、
…
、λn)被
自动筛选并压缩至各自的子光栅区域内，并且每种子光栅结构均具有亚波长特征(即：线宽《波长)，而每个超导子光栅本身就是探测单元，因此能做到对目标太赫兹光子实现100％的探测效率。特别值得注意的是，该过程和效率对入射光束中的每种光子均成立，因而可以同时实现每种光子的接近100％探测效率的理想探测，故不再受限于已公开技术的1/n探测效率上限。
49.另外由于超导材料的超导能隙相对于传统半导体探测性的能带小两到三个数量级，吸收一个太赫兹光子后能够产生的雪崩电子数目是传统半导体两到三倍。例如一个30thz(124mev)光子能直接打破42个超导铌(能隙为2.9mev)的库珀对。因此，当超导纳米线工作于临界电流附近时，被光子打破的库珀对会形成一个热斑，热斑会排挤附近的电流，使得热斑附近电流密度增大从而超过临界电流密度进而失超形成电阻态，由于焦耳热效应热斑会进一步扩大，形成类似雪崩放大的效应，从而在纳米线两端会产生一个大的电脉冲信号。
50.本技术方案可突破现有多光子探测技术中对每种单一光子探测效率小于1/n极限，可在同一光敏探测区域同时进行多光子探测器件而无需预先进行空间分光，在应用中也无需对多种光子进行单独的光路优化校准；此外，利用超导纳米线低能隙和热雪崩效应，实现了对多光子在单像元区域的高效高灵敏度同步探测；在制作工艺方面，可采用成熟的材料和器件工艺，实现单片集成的多光子单像元探测器件。本技术方案能够为太赫兹多光子探测技术提供一种实现极限探测性能的新方式。