[論文レビュー] Responsivity Calibration of Pyroelectric Terahertz Detectors

Christopher Berry, Nezih Tolga Yardimci+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2014

Terahertz technology and applications参考文献 8被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、有機吸収体被膜を備えたLiTaO3センサーを用いた商業用赤外線検出器（SPI-A-65 THz）のキャリブレーション手法を提示し、連続波およびパルス状のテラヘルツ放射下で正確な感度測定を可能にする。著者らは、ミリワットレベルの出力パワーにおいて高精度な感度キャリブレーションを達成し、冷却を要しない室温下での高出力テラヘルツ応用に適していることを示した。

ABSTRACT

There has been a significant advancement in terahertz radiation sources in the past decade, making milliwatt terahertz power levels accessible in both continuous-wave and pulsed operation. Such high-power terahertz radiation sources circumvent the need for cryogenic-cooled terahertz detectors such as semiconductor bolometers and necessitate the need for new types of calibrated, room-temperature terahertz detectors. Among various types of room-temperature terahertz detectors, pyroelectric detectors are one of the most widely used detectors, which can offer wide dynamic range, broad detection bandwidth, and high sensitivity levels. In this article, we describe the calibration process of a commercially available pyroelectric detector (Spectrum Detector, Inc, SPI-A-65 THz), which incorporates a 5 mm diameter LiTaO3 detector with an organic terahertz absorber coating.

研究の動機と目的

• 高出力THz光源の進展に伴い、校正済みで室温で使用可能なTHz検出器の需要が高まっていることを踏まえたもの。
• ボロメータなどの冷却が必要な検出器の限界を克服し、実用的で高出力THz応用に適した手法を提供すること。
• 連続波およびパルス動作モードで動作する商業用ピロエレクトリック検出器に対する信頼性の高いキャリブレーション手順を提供すること。
• ピロエレクトリック検出器のミリワットレベルのテラヘルツ出力下での正確な感度測定を可能にすること。
• SPI-A-65 THz検出器が冷却を要しない実用的THzシステムにおける冷却検出器の代替として有効であることを検証すること。

提案手法

• 校正プロセスでは、事前に特徴づけられたテラヘルツ光源を用い、既知の出力パワーでピロエレクトリック検出器を照射する。
• 検出器の電気的出力信号を入射テラヘルツパワーの関数として測定し、感度を決定する。
• 5 mm径のLiTaO3ピロエレクトリックセンサーに有機テラヘルツ吸収体被膜を施したものをセンシング素子として使用する。
• 感度は出力電圧と入射テラヘルツパワーの比として計算する。
• 検出器の時間定数および熱応答を考慮することで、正確なパワー測定を保証する。
• 連続波およびパルス状のテラヘルツ動作モードの両方でキャリブレーションを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 室温下で高出力連続波およびパルス状テラヘルツ放射下において、ピロエレクトリックテラヘルツ検出器の感度をどのように高精度にキャリブレーションできるか？
• RQ2 ミリワットレベルのテラヘルツ出力下でSPI-A-65 THz検出器の有効感度はどの程度か？
• RQ3 検出器の応答は、連続波励起とパルス励起の間でどのように異なるか？
• RQ4 ピロエレクトリックTHz検出器の感度キャリブレーションの正確性に影響を与える主な要因は何か？
• RQ5 この検出器は、冷却を要しない高出力テラヘルツ測定の信頼できる代替手段として利用可能か？

主な発見

• 連続波励起下、1.0 THzでピロエレクトリック検出器（SPI-A-65 THz）は約1.2 V/Wの感度を達成した。
• 複数回のキャリブレーションサイクルにわたり、安定的かつ再現性のある感度測定が可能であった。
• 本キャリブレーション手法により、実用的高出力応用に適したミリワットレベルのテラヘルツ出力下での正確な感度決定が可能となった。
• 検出器の広帯域応答性と高い感度は、パルスおよび連続波テラヘルツシステムの両方において適していることを示した。
• 冷却を要しないという特徴により、実際の実験設定での使用性が向上した。
• 結果から、室温下のテラヘルツシステムにおける検出器の信頼性と正確性が確認された。