【2020】【论文笔记】使用CMOS和散射光学的THz分光——

前言

类型
$太赫兹+分束器$
期刊
$IEEETRANSACTIONSONTERAHERTZSCIENCEANDTECHNOLOGY$
作者
$DanielHeadland,RobinZatta,PhilippHillger,Member,UllrichR.Pfeiffer$

时间
$2020$

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研究目的

太赫兹集成电路是实现太赫兹系统小型化和降低成本的可行手段

该论文开发了外部光学器件，以使用太赫兹范围的CMOS相机实现宽带非相干光谱

色散光学器件将太赫兹光束分成组成颜色，随后以不同角度施加在上述太赫兹相机

每个频带都以太赫兹相机的不同像素为目标，从而将相机重新用于光谱应用，而不是成像

该论文专注于以850 GHz为中心的广泛频率范围进行研究，因为它对应于太赫兹相机的峰值灵敏度，而感兴趣的物质，如炸药，在该范围内表现出明显的光谱特征

与现有的太赫兹光谱系统相比，该论文演示的设备成本低、功耗低、紧凑、便携，能够在各种现场环境中部署

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之字形光束路径

该论文之前尝试使用衍射光栅和一对介电透镜进行这种空间光谱分析

然而，实验装置跨越了∼1m，使其不适合实际应用。除此之外，菲涅耳损耗和吸收对整体信噪比（SNR）都非常有害

之后，该论文只使用反射光学器件，这大大减少了此类损耗。此外，随着光束路径以之字形折叠，实现了更紧凑的光学设置。更短的传播距离也减少了大气吸收造成的损失，提高了分光镜的SNR

（只使用反射镜，可以减少损耗，提高SNR）

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为什么采用CNC铣削

太赫兹实验室中发现的反射光学器件通常通过$\stackrel{◯}{1}$金刚石车削生产，以获得光滑的表面，对小于1µm的可见光波长具有高反射性

然而，对于该论文感兴趣的频率，太赫兹波长在0.2到2mm之间，因此，不需要这种制造精度

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$\stackrel{◯}{2}$铝合金的计算机数控（CNC）铣削，在良好条件下可实现小于1μm的表面粗糙度，在更一般的情况下可实现低于7μm的粗糙度

由于粗糙度造成的损失范围为：在$1THz$时为$0.1\%\sim 4.2\%$
——这是一个可接受的损失程度，并且成本显著降低，所以该论文采用了CNC铣削

铣削：
使用旋转的多刃刀具切削工件

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两个色散光学器件

该论文制造了两个针对不同频带的色散光学器件
通过在保持设备其余部分不变的情况下替换离散分量，我们能够改变目标频率范围。

注意到设备带宽和频率分辨率之间的折衷；覆盖较大带宽的色散光学器件通常会表现出较粗的频率分辨率

原则上可以根据需要利用开发的分光镜的模块性来调解这种折衷，尽管研究中没有这样做

对于工作中针对的两个测试频带，该论文发现入射辐射的频率可以在一段时间内恢复$\sim 50\%$的相对带宽

定制光学子系统的测量效率为：$\sim 75\%$在太赫兹相机的中心频率附近，但在远离该频率时降级

• 分光镜的频率分辨率约为几十$kMHz$

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设计（将THz-CMOS相机与三个反射光学器件结合）

THz相机

相机由单个芯片组成，该芯片粘附在直径15mm的超半球高电阻率浮动区硅透镜的底座上

该芯片带有一个焦平面阵列（FPA），带有32×32非相干操作THz直接探测器或像素

单个像素由直接耦合到电阻自混合电路的宽带环形天线组成

该电路基本上将入射的太赫兹功率转换为直流电压$V_{Out}$，随后可将其转换为数字信号，并用台式计算机进行处理

• 探测器灵敏度的峰值出现在850 GHz

该芯片采用65纳米CMOS技术实现，因此易于大规模生产，从而在大批量制造下大幅降低单位成本

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透镜的作用：
耦合到芯片的透镜为每个太赫兹探测器提供高天线增益，改善天线图案的前后比，并抑制不需要的衬底模式。它也是相邻像素之间空间差异的基础

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光学子系统

图（a）中的光学系统由三个金属反射盘组成：

• 波纹盘（Corrugated dish）（图a下面的）可以被视为凹面弯曲衍射光栅，同时进行分频和聚焦
• 准直器盘（Collimator dish） （图a左边的）
• 反射器盘（Reflector dish）（图a右边的）

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三个金属反射盘都是非球面、抛物线反射器

与圆形或球形反射器相反。这允许无球面像差的小f数，从而实现整体设备的紧凑性

球面像差：
球面镜不能将所有光线聚焦在同一点，透过镜片边缘进入的光线会偏离焦点形成像差。尤其在大光圈的时候，有较多光线可以通过镜片。最明显就是一些光点会虚化成一团光，这是由于边缘位置进入的光线与中心聚焦的偏差较大所致

f-numbers （f数）：
数值越小，镜头通光能力越强，也就越亮
f-numbers = f/d，其中f是焦距，d是入射的光瞳直径

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光学子系统的操作

1. 光源发射发散波前，由准直器盘平面化
2. 使反射光束落在波纹盘上。该光学系统以色散方式工作，并将每个频率投影到xy平面中的不同点
3. 反射盘收集这些单色光束并将其重定向到太赫兹相机，在那里，它们由FPA（焦平面阵列）中的中心像素行检测

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THz相机与单色光束

（THz相机上面有个超半球高电阻率浮动区硅透镜）

THz相机的硅透镜提供了高天线增益，所以THz相机最适合准直光束

这些光束必须从不同的角度入射到相机上，以便在FPA（焦平面阵列）表面进行区分

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波纹盘

波纹盘基本上将宽带光束分成其组成颜色，这些颜色指向不同的方向

(反射盘以诱导光束在相机处二次重合)

波纹盘呈现凹曲率，以便在分离单个彩色光束的同时聚焦单个彩色光束

波纹盘将每个频率的辐射聚焦到不同的点

为了使波纹盘以真实曲率进行聚焦，需要准直 入射光束

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准直盘

为了使入射光束平面化，准直盘必须具有二维曲率

另一方面，波纹盘和反射盘的波束形成操作限于xy平面，因此，它们只需要在一维中显示曲率。这是因为只有FPA像素的中心行被用于检测

更复杂的二维频率扫描方案将需要在两个维度上的曲率

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反射盘

反射器盘也将操纵单个光束的形状；如果它们最初被准直，那么反射器盘将对它们进行聚焦，并且聚焦的光束与太赫兹相机不匹配？？？

因此，当单个光束与反射盘相互作用时，它们必须发散，这样该反射盘将准直光束，而不是聚焦光束

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结论

采用了三种反射光学器件，以将太赫兹相机从成像设备转换为分光镜

表明使用非相干太赫兹CMOS探测器阵列可以实现光谱分析

频率分辨率为几十千兆赫兹

另一方面，如果使用太赫兹频率选择表面将特定频带偏转到xy平面之外，则可以利用FPA（焦平面阵列）的全二维范围，然后它们可以撞击到具有不同色散特性的单独波纹盘上？？？

此后，可以使后续扫描光束落在带有专用反射盘的相机上，该反射盘朝xy平面倾斜，在那里它们将照亮垂直偏移的独立FPA行

还可以对将太赫兹波撞击准直器盘的馈送结构进行改进。由于被测给定样本中的相位不规则性，存在像差风险，从而导致杂散频率检测

另一方面，如果太赫兹波在与样品相互作用后通过单模波导，则光束形状将保持不变，并且这种相位不规则性只会造成较小的损耗

• 单模波导使得光束形状不变，而且这种相位不规则性只能造成较小的损耗

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问题

FPA焦平面阵列的作用是什么？

为什么波纹盘分离不同频率的光，又聚焦了不同频率的光？

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