[发明专利]热电子混频器和太赫兹量子级联激光器的集成装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于太赫兹超导探测技术领域，具体涉及一种热电子混频器和太赫兹量子级联激光器的集成装置及方法。

背景技术

基于超导器件的太赫兹探测器凭借其优异的探测性能已经在太赫兹波段的天文观测上占据了相当重要的位置。超导热电子混频器由于具有较低的噪声温度以及具有超宽的工作频率，已成为太赫兹波段高频段相干探测器首选。近些年来许多太赫兹望远镜都装配了超导热电子混频器接收机系统，如美国SMTO/HHT望远镜、智利APEX望远镜、欧空局Herschel空间望远镜、美德合作SOFIA机载望远镜等。

超导热电子混频器由一层沉积在介质材料（Si、MgO等）上的超导薄膜（Nb、NbN和NbTiN等）组成，两端通过金属contact pads连接到天线。超导热电子混频器需求极低的本振功率（~100nW），利用超导热电子混频器在超导转变温度附近极强的非线性实现混频。量子级联激光器是基于电子在半导体量子阱中导带子带间跃迁和声子辅助共振隧穿原理的新型单极半导体器件。不同于传统p-n结型半导体激光器的电子-空穴复合受激辐射机制，量子级联激光器受激辐射过程只有电子参与，激射波长的选择可通过有源区的势阱和势垒的能带裁剪实现。太赫兹量子级联激光器由于其本身的单极性和级联性等特点，可以根据需要制作太赫兹频段信号发生器，且其发射功率（~mW）完全满足作为超导热电子混频器本振源的需要。在实际应用中，由于受到低温制冷机制冷功率的限制，一般要求超导热电子混频器与量子级联激光器必须在不同杜瓦中分别制冷再利用分光镜使太赫兹量子级联激光器泵浦超导热电子混频器。由于两杜瓦之间的光路在空气中会受到水汽对太赫兹信号的吸收影响，导致泵浦至超导热电子混频器的太赫兹信号大为减弱。另一种方式是将超导热电子混频器与量子级联激光器集成在同一制冷平台，存在问题是系统体积过于庞大，结构过于复杂，干扰因素也较多，同时需要低温制冷机的高制冷功率。

发明内容

本发明的针对现有技术中的不足，提供一种热电子混频器和太赫兹量子级联激光器的集成装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种热电子混频器和太赫兹量子级联激光器的集成装置，其特征在于，包括：腔体、太赫兹量子级联激光器、超导热电子混频器、抛物面反射镜和分光镜；所述腔体固定在杜瓦制冷平台上，所述太赫兹量子级联激光器、超导热电子混频器、抛物面反射镜和分光镜均集成在同一个腔体中。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

所述腔体包括基座和壳体，所述基座上开设有与杜瓦制冷平台相适配的固定螺纹孔，所述壳体呈梯形体结构，壳体的一侧面为与基座呈45°的斜面，分光镜内嵌安装在斜面中，抛物面反射镜安装在壳体的底面上，分光镜与抛物面反射镜呈45°角，太赫兹量子级联激光器安装在壳体中与斜面相对的侧面上，使得太赫兹量子级联激光器的信号发射端与抛物面反射镜相对，超导热电子混频器安装在太赫兹量子级联激光器的同侧面上，超导热电子混频器的信号接收端与分光镜相对。

所述分光镜采用分光镜膜，分光镜膜窗口对着杜瓦窗口。

所述壳体的顶面设有中频输出端口，壳体的侧面设有超导热电子混频器与量子级联激光器控制输入端。

此外，还提出了一种采用上述超导热电子混频器和太赫兹量子级联激光器的集成装置的工作方法，其特征在于，包括：

将太赫兹量子级联激光器、抛物面反射镜依次安装在腔体的相应设计位置，将分光镜绷紧并固定在设计位置，将超导热电子混频器固定在硅透镜中心，并将固定好的超导热电子混频器与硅透镜固定在设计位置；

将集成的腔体固定在杜瓦的4K制冷平台上，分光镜窗口对着杜瓦窗口，将杜瓦内抽真空并制冷至温度达到4K；

从太赫兹量子级联激光器发射出太赫兹信号，经过抛物面反射镜的反射，信号入射到与抛物面反射镜呈45°角的分光镜上，信号再经过分光镜的反射，入射到超导热电子混频器前端的硅透镜上，经过硅透镜的聚焦后，太赫兹量子级联激光器所发出的太赫兹信号泵浦到超导热电子混频器中。

本发明的有益效果是：

1、利用低功耗太赫兹量子级联激光器，发热功率大大降低，在同样制冷功率条件下，杜瓦的内温度可有效控制在超导热电子混频器临界温度以内；

2、利用高度集成的太赫兹量子级联激光器与超导热电子混频器，简化了实验系统，同时避免了水汽对太赫兹信号传输的影响；

3、采用高度集成的腔体（block），避免了因调整泵浦信号光路不准确而带来的影响，降低了接收机噪声温度，为后续进一步简化系统和提高性能成为可能。