专栏：长波光子探测、感知与应用2024(10)
发刊词
本期主编：赵自然 (清华大学)
本期编委：王迎新 (清华大学) 邓建钦(中电科思仪股份有限公司) 田 震(天津大学) 白 鹏(北京应用物理与计算科学研究所) 张 峰(中科院新疆理化所)
跨越毫米波至中远红外波段(30 GHz~100 THz)的长波光子领域，横跨传统电子学与光子学的交界地带，其强度、波长、相位、偏振、时间分辨等多维度信息的探测与感知，已成为学术界和工业界共同关注的焦点，构成其在安全检查、通信雷达、医学诊断、无损检测等关键领域应用的核心能力。
本期专栏覆盖了长波光子上转换探测、探测器读出电路、多功能选择吸收器件、波导等关键技术研发，以及光学系统设计、单像素成像技术、手性超表面传感器等前沿应用研究，全方位展现了长波光子学的新理念、新构件、新途径与新场景。
在此，我们谨向关怀和支持本专栏出版的各位领导、编委、专家，以及踊跃投稿的各位作者，致以衷心的感谢！愿此专栏能为长波光子学的研究与发展注入新的活力。
主编简介：
赵自然，清华大学研究员、俄罗斯工程院外籍院士、危爆物品探测技术国家工程研究中心副主任，粒子技术与辐射成像教育部重点实验室副主任。国家重点人才计划科技创新领军人才、科技部中青年科技创新领军人才、北京市科技新星。长期从事电磁波探测与智能感知研究，在超宽谱太赫兹、长波光子学、人体非接触安检等方向取得了多项原创成果，并将成果转化应用。第一完成人获得北京市科技进步一等奖、中国发明专利优秀奖、日内瓦发明专利金奖等。
文章列表
2024, 22(10):1051-1055.
DOI: 10.11805/TKYDA2024102
摘要:
随着电子技术向更高集成度和小型化发展，三维电路布局日益普及，其中毫米波信号在表层与内部电路间的有效传输变得尤为关键。本研究设计了一种新型超宽带低损耗的带状线-共面波导垂直互联结构，以应对互联结构中寄生电感和电容引起的信号反射和辐射问题。通过等效电路模型分析和参数初步设计，结合三维场仿真优化，确定了最终设计参数。该互联结构采用0.2 mm直径的通孔实现连接，并具有仅0.8 mm直径的隔离环，保证了结构的简洁性和易于加工的特点。仿真结果表明，该设计可实现DC~80 GHz的宽带覆盖，S11小于-13 dB，S21大于-0.4 dB，显示出优异的性能。为了匹配测试系统，设计了测试板转换至同轴接口的转换结构，使其工作频率达到40 GHz。实际测试结果显示，在DC~40 GHz范围内，回波损耗小于11 dB，插入损耗小于0.4 dB，进一步验证了设计的有效性和实用性。
随着电子技术向更高集成度和小型化发展，三维电路布局日益普及，其中毫米波信号在表层与内部电路间的有效传输变得尤为关键。本研究设计了一种新型超宽带低损耗的带状线-共面波导垂直互联结构，以应对互联结构中寄生电感和电容引起的信号反射和辐射问题。通过等效电路模型分析和参数初步设计，结合三维场仿真优化，确定了最终设计参数。该互联结构采用0.2 mm直径的通孔实现连接，并具有仅0.8 mm直径的隔离环，保证了结构的简洁性和易于加工的特点。仿真结果表明，该设计可实现DC~80 GHz的宽带覆盖，S11小于-13 dB，S21大于-0.4 dB，显示出优异的性能。为了匹配测试系统，设计了测试板转换至同轴接口的转换结构，使其工作频率达到40 GHz。实际测试结果显示，在DC~40 GHz范围内，回波损耗小于11 dB，插入损耗小于0.4 dB，进一步验证了设计的有效性和实用性。
2024, 22(10):1056-1062.
DOI: 10.11805/TKYDA2024162
摘要:
单像素成像是一种新颖的计算成像技术，借助于空间光调制，仅使用一个单像素探测器即可获取物体的图像。为克服太赫兹波段阵列探测器稀缺的难题，并在近场调制实现亚波长成像，提出一套基于光泵浦硅晶片的全光调制器的连续太赫兹单像素亚波长成像系统，可以实现λ / 7.62 ![]()
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单像素成像是一种新颖的计算成像技术，借助于空间光调制，仅使用一个单像素探测器即可获取物体的图像。为克服太赫兹波段阵列探测器稀缺的难题，并在近场调制实现亚波长成像，提出一套基于光泵浦硅晶片的全光调制器的连续太赫兹单像素亚波长成像系统，可以实现
2024, 22(10):1063-1072.
DOI: 10.11805/TKYDA2024379
摘要:
太赫兹光热电探测器基于热生载流子在温度梯度驱使下迁移的原理实现太赫兹波探测，具有快响应、超宽带、自供电、室温工作及结构简单等优势，受到广泛关注。目前，探测器读出主要采用调制-解调方法，通过电流放大器与锁相放大器级联实现测量，集成度低，成本高，难以实现阵列读出。为满足光谱测量、成像感知等应用需求，本文对光热电阵列探测器单元读出方法进行研究。从探测器机理出发，对输出信号进行建模分析；在此基础上设计板级专用读出电路，实现前置放大与锁相放大功能。测试表明，该方法可以在强噪声背景环境下对太赫兹光热电探测器进行高精确度读出，增益达到140.7 dB，信噪比改善了38.3 dB。
太赫兹光热电探测器基于热生载流子在温度梯度驱使下迁移的原理实现太赫兹波探测，具有快响应、超宽带、自供电、室温工作及结构简单等优势，受到广泛关注。目前，探测器读出主要采用调制-解调方法，通过电流放大器与锁相放大器级联实现测量，集成度低，成本高，难以实现阵列读出。为满足光谱测量、成像感知等应用需求，本文对光热电阵列探测器单元读出方法进行研究。从探测器机理出发，对输出信号进行建模分析；在此基础上设计板级专用读出电路，实现前置放大与锁相放大功能。测试表明，该方法可以在强噪声背景环境下对太赫兹光热电探测器进行高精确度读出，增益达到140.7 dB，信噪比改善了38.3 dB。
2024, 22(10):1073-1080.
DOI: 10.11805/TKYDA2024197
摘要:
超构表面是一种由亚波长单元结构组成的人工表面，展现出巨大的电磁波操纵潜力，悬链线电磁学为超构表面的设计提供了新的思路和方法。本文提出一种基于悬链线结构的多功能二向色性超构表面，能够在不同方向上实现对电磁波的选择吸收。仿真结果显示，该器件可在红外区域实现92%的线性二色性(LD)和96%的圆二色性(CD)。这两种功能仅需改变电磁波的入射方向就可同时实现，且两种功能在一定入射角范围内均具有较高的效率。此外，还分析了不同几何参数对吸收性能的影响，以及实现不同电磁波选择吸收的物理机制。该超构表面具有结构简单、便于集成以及应用范围广的优点，在成像、传感和光谱等领域具有潜在的应用前景。
超构表面是一种由亚波长单元结构组成的人工表面，展现出巨大的电磁波操纵潜力，悬链线电磁学为超构表面的设计提供了新的思路和方法。本文提出一种基于悬链线结构的多功能二向色性超构表面，能够在不同方向上实现对电磁波的选择吸收。仿真结果显示，该器件可在红外区域实现92%的线性二色性(LD)和96%的圆二色性(CD)。这两种功能仅需改变电磁波的入射方向就可同时实现，且两种功能在一定入射角范围内均具有较高的效率。此外，还分析了不同几何参数对吸收性能的影响，以及实现不同电磁波选择吸收的物理机制。该超构表面具有结构简单、便于集成以及应用范围广的优点，在成像、传感和光谱等领域具有潜在的应用前景。
2024, 22(10):1081-1087.
DOI: 10.11805/TKYDA2024256
摘要:
基于柔性扭曲双层手性超表面传感器，采用太赫兹时域光谱技术，以手性乳酸(LA)对映体为研究对象，提出一种在太赫兹波段实现手性物质浓度传感和对映体识别的方法。结果表明，手性超表面传感器的圆二色谱(TCD)会随着浓度的增加而发生偏移，且不同的手性对映体偏移量不同，左旋性LA(L-LA)和右旋性LA(D-LA)的最高检测灵敏度分别为2.6 GHz/(mg/mL)和1.9 GHz/(mg/mL)，检测限低至0.01 mg/mL。手性超表面传感器在LA传感和手性识别方面的巨大潜力，为手性对映体的灵敏检测提供了一种高效、低成本的技术方法。
基于柔性扭曲双层手性超表面传感器，采用太赫兹时域光谱技术，以手性乳酸(LA)对映体为研究对象，提出一种在太赫兹波段实现手性物质浓度传感和对映体识别的方法。结果表明，手性超表面传感器的圆二色谱(TCD)会随着浓度的增加而发生偏移，且不同的手性对映体偏移量不同，左旋性LA(L-LA)和右旋性LA(D-LA)的最高检测灵敏度分别为2.6 GHz/(mg/mL)和1.9 GHz/(mg/mL)，检测限低至0.01 mg/mL。手性超表面传感器在LA传感和手性识别方面的巨大潜力，为手性对映体的灵敏检测提供了一种高效、低成本的技术方法。
2024, 22(10):1088-1093.
DOI: 10.11805/TKYDA2024314
摘要:
设计了一种像元级数字化焦平面读出电路，克服了传统模拟读出电路技术的电荷容量局限，实现了更大的动态范围和更低噪声的数字化图像读出；同时在像元内部进行数字化图像处理，可实现非均匀校正(NUC)、盲元补偿、数字时间延迟积分(TDI)、空间滤波等图像预处理功能。该电路采用40 nm CMOS工艺流片，面阵规格为640×512，像元步进为30 μm，全芯片尺寸约22 mm×19 mm。测试结果显示，该电路通过TDI、空间滤波功能可大幅降低(分别约90%和63%)输出图像空间噪声，提升成像质量。
设计了一种像元级数字化焦平面读出电路，克服了传统模拟读出电路技术的电荷容量局限，实现了更大的动态范围和更低噪声的数字化图像读出；同时在像元内部进行数字化图像处理，可实现非均匀校正(NUC)、盲元补偿、数字时间延迟积分(TDI)、空间滤波等图像预处理功能。该电路采用40 nm CMOS工艺流片，面阵规格为640×512，像元步进为30 μm，全芯片尺寸约22 mm×19 mm。测试结果显示，该电路通过TDI、空间滤波功能可大幅降低(分别约90%和63%)输出图像空间噪声，提升成像质量。
2024, 22(10):1094-1103.
DOI: 10.11805/TKYDA2024359
摘要:
高性能宽谱上转换成像器件在医疗、食品安全、无损检测和国家安全等领域中发挥着重要作用，但现有半导体上转换器件因探测范围窄、上转换效率低而受到限制。为实现更宽谱和高效的上转换，本文通过优化LED结构，显著提升了棘轮上转换器件的性能。改进后的LED发光效率提升了2个数量级，μA量级的驱动电流下即可开启发光，发光光谱更接近规则洛伦兹线型，器件整体面发光均匀性也显著提升。研究明确了性能优化原则，并为未来上转换器件的改进提供了参考方向。
高性能宽谱上转换成像器件在医疗、食品安全、无损检测和国家安全等领域中发挥着重要作用，但现有半导体上转换器件因探测范围窄、上转换效率低而受到限制。为实现更宽谱和高效的上转换，本文通过优化LED结构，显著提升了棘轮上转换器件的性能。改进后的LED发光效率提升了2个数量级，μA量级的驱动电流下即可开启发光，发光光谱更接近规则洛伦兹线型，器件整体面发光均匀性也显著提升。研究明确了性能优化原则，并为未来上转换器件的改进提供了参考方向。
2024, 22(10):1104-1110.
DOI: 10.11805/TKYDA2024371
摘要:
根据准光和高斯波束的基本原理，对准光反射镜和透镜进行研究，设计了一套毫米波亚毫米波天线准光馈电系统，通过两条光路实现89~115 GHz、176~183 GHz两个频段同时接收电磁辐射信号。采用椭球面反射镜和透镜实现波束会聚，控制系统结构包络；通过极化栅网分离通道，对双通道指标进行计算和初步分析。该系统工作在低温环境下，针对实际需求和冷光学分析，对准光器件的空间位置和波束半径提出约束并优化。理论计算和仿真结果表明，该系统满足冷光学和准光学的设计要求。
根据准光和高斯波束的基本原理，对准光反射镜和透镜进行研究，设计了一套毫米波亚毫米波天线准光馈电系统，通过两条光路实现89~115 GHz、176~183 GHz两个频段同时接收电磁辐射信号。采用椭球面反射镜和透镜实现波束会聚，控制系统结构包络；通过极化栅网分离通道，对双通道指标进行计算和初步分析。该系统工作在低温环境下，针对实际需求和冷光学分析，对准光器件的空间位置和波束半径提出约束并优化。理论计算和仿真结果表明，该系统满足冷光学和准光学的设计要求。
