GBT 43597-2023 热电型太赫兹探测器参数测试方法

热电型太赫兹探测器参数测试方法2023-12-28发布国家标准化管理委员会I前言 l2规范性引用文件 13术语和定义 14原理 25试验条件 36仪器设备 37样品 48试验步骤 48.1光敏面面积 48.2响应度 48.3光谱响应度 48.4噪声等效功率 48.5探测率 58.6响应时间 58.7非线性度 58.8重复性 59试验数据处理 69.1光敏面面积 69.2响应度 69.3光谱响应度 69.4噪声等效功率 69.5探测率 79.6响应时间 79.7非线性度 89.8重复性 810测试报告 8附录A(资料性)测试报告记录表 参考文献 I本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国科学院提出。本文件由全国光电测量标准化技术委员会(SAC/TC487)归口。本文件起草单位：中电科思仪科技股份有限公司、中国电子科技集团公司第四十一研究所、中国科学院空天信息创新研究院、南京大学、中国计量科学研究院、中国科学院长春光学精密机械与物理研究1热电型太赫兹探测器参数测试方法本文件描述了热电型太赫兹探测器参数测试的原理、试验条件、仪器设备、样品、试验步骤和试验数据处理。本文件适用于热电型太赫兹探测器。太赫兹高莱探测器和太赫兹量子阱探测器参照执行。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T13584—2011红外探测器参数测试方法3术语和定义GB/T13584—2011界定的以及下列术语和定义适用于本文件。热电型太赫兹探测器thermoelectricterahertzdetector工作波长涵盖太赫兹波段，通过吸收太赫兹辐射产生热能，由热能转变为电信号的单元探测器。注：通常包含太赫兹热电堆探测器、太赫兹热释电探测器和太赫兹微测热辐射计。太赫兹热电堆探测器terahertzthermopiledetector在太赫兹辐射作用下产生热能，从而引起热电堆两端产生温差，依据赛贝克效应把温差转变为电信号的一种探测器。太赫兹热释电探测器terahertzpyroelectricdetector在周期性太赫兹辐射作用下产生热能，从而引起热释电材料温度变化，依据热释电效应把温度变化转变为电信号的一种探测器。太赫兹微测热辐射计terahertzbolometer在周期性太赫兹辐射作用下产生热能，从而引起热敏薄膜温度变化，导致热敏薄膜的电阻发生变化，在外加偏置电流作用下产生电信号的一种探测器。响应度responsivity探测器输出电信号，与入射电磁波的功率或能量之比。[来源：JJG(电子)30904—2008,3.1,有修改]噪声等效功率noiseequivalentpower在单位测量带宽内，探测器输出信噪比为1时，入射到探测器的电磁波功率。2探测器的响应度除以均方根噪声，并折算到单位测量带宽与单位光敏面面积之积的平方根值。[来源：GB/T13584—2011,3.5,有修改]探测器对电磁波响应的延迟时间，包括上升时间和下降时间。注1:上升时间是指电磁波入射到探测器后，扣除探测器的暗电信号，探测器输出电信号从最大稳定值的10%上升到90%所需的时间。注2:下降时间是指入射到探测器的电磁波关闭后，扣除探测器的暗电信号，探测器输出电信号从最大稳定值的90%下降到10%所需的时间。[来源：GB/T13584—2011,3.9,有修改]随入射电磁波的功率或能量变化，探测器输出电信号与入射电磁波功率或能量的拟合直线，和探测器输出曲线的偏离程度。[来源：GB/T7665—2005,3.5.1.55,有修改]在一段短的时间间隔内，并在相同的工作条件下，探测器对同一束电磁波重复测量，输出稳定电信号之间的分散程度。[来源：GB/T18459—2001,2.3,有修改]热电型太赫兹探测器参数测试装置的基本配置见图1,将待测热电型太赫兹探测器安装在可上、57 9标引序号说明：1——太赫兹源；2——斩光器；3——挡光板；4——太赫兹可变衰减器；5——太赫兹分束镜；6——太赫兹会聚系统；7——参考太赫兹功率计；8——监测太赫兹功率计；9——待测热电型太赫兹探测器；10——前置放大器；11——示波器或万用表；12——导轨。图1热电型太赫兹探测器参数测试原理图3通过太赫兹可变衰减器将一台高性能、稳定输出的太赫兹源，调整到期望的脉冲能量或连续功率。太赫兹分束镜把太赫兹辐射分为两束，一束太赫兹辐射会聚到太赫兹会聚系统焦平面处，通过调节保证待测热电型太赫兹探测器或参考太赫兹功率计的光敏面在该平面内，并且太赫兹光束入射到待测热电型太赫兹探测器或参考太赫兹功率计的光敏面中心，使用示波器或万用表测试待测热电型太赫兹探测器的输出电信号，待测热电型太赫兹探测器与参考太赫兹功率计可通过导轨互换位置；另一束太赫兹辐射会聚到位于太赫兹会聚系统焦平面处的监测太赫兹功率计，监测太赫兹源输出的稳定性，通过调节保证太赫兹光束入射到监测太赫兹功率计的光敏面中心。太赫兹源宜选择输出为连续辐射的光源，参考太赫兹功率计和监测太赫兹功率计宜选择基于热电堆探测器的太赫兹功率计，以便完成连续辐射和脉冲辐射的功率测试。当待测对象为太赫兹热电堆探测器时，可不使用斩光器；当待测对象为太赫兹热释电探测器或太赫兹微测热辐射计时，应在太赫兹源后面放置斩光器，斩光器的斩光频率应在待测热电型太赫兹探测器的调制频率范围内。当待测热电型太赫兹探测器输出电信号小于或等于示波器或万用表的本底噪声时，应使用前置放大器对输出电信号放大后测试，此时待测热电型太赫兹探测器输出电信号，为示波器或万用表的测试值与前置放大器增益的比值。当待测热电型太赫兹探测器的响应时间大于或等于1s时，宜使用挡光板测试响应时间，否则宜使用斩光器测试响应时间。经过斩光器之后脉冲辐射的上升时间和下降时间，应远小于待测热电型太赫兹探测器的上升时间和下降时间。5试验条件试验条件应满足以下要求：b)相对湿度：≤60%;d)海拔高度(气压):0m～1350m。6仪器设备测试热电型太赫兹探测器参数使用的仪器设备满足下列要求：a)太赫兹源、太赫兹可变衰减器、太赫兹分束镜、太赫兹会聚系统、参考太赫兹功率计和监测太赫兹功率计，都应与待测热电型太赫兹探测器具有相同的工作波长；b)试验所用测量仪器设备应经过计量检定机构检定合格，并在有效期内；c)太赫兹源输出稳定性应优于±2%/10min;d)太赫兹可变衰减器、太赫兹分束镜和太赫兹会聚系统应不影响太赫兹辐射稳定性，通过太赫兹可变衰减器、太赫兹分束镜和太赫兹会聚系统的太赫兹辐射仍能满足c)的允差要求；e)参考太赫兹功率计和监测太赫兹功率计的响应时间应小于或等于3s;f)斩光器的斩光频率应涵盖1Hz～1kHz;g)频谱分析仪的频率范围应涵盖3Hz～1MHz;h)示波器的最低灵敏度应≤1mV/div;i)万用表应具有直流电压、交流电压测试功能，数字分辨率应优于7%;j)太赫兹傅里叶光谱仪应具有反射率测试功能；k)太赫兹时域光谱仪应具有反射率测试功能；41)游标卡尺的测量范围应涵盖0mm～100mm;m)光学显微镜的放大倍数为40倍～1500倍，X、Y方向可调，调节精度为±1/μm,测微目镜分度值为0.5μm,标准分划板分度值为0.5μm,内置可转棱镜自由选择方向。7样品测试样品为热电型太赫兹探测器，测试样品的存储、清洁和准备应按照样品使用说明执行，并放在适当的样品夹持器内，避免对样品造成损伤。测试样品的光敏面直径(或对角线)应大于或等于入射太赫兹光束直径的5倍。8试验步骤8.1光敏面面积使用光学显微镜按照GB/T13584—2011中6.7.1规定的步骤，测量待测热电型太赫兹探测器在X方向与Y方向的光敏面尺寸，或使用游标卡尺测量待测热电型太赫兹探测器在X方向与Y方向的光测量数据记录表示例见附录A。8.2响应度热电型太赫兹探测器在波长λ。处的响应度测试步骤：a)将参考太赫兹功率计放入光路，移出挡光板，记录参考太赫兹功率计和监测太赫兹功率计的测量值；b)将待测热电型太赫兹探测器放入光路，移入挡光板，记录待测热电型太赫兹探测器的暗电压，移出挡光板，记录待测热电型太赫兹探测器的信号电压，以及监测太赫兹功率计的测量值；c)重复步骤a)～步骤b),测量n(n≥3)组数据。测量数据记录表示例见附录A。8.3光谱响应度热电型太赫兹探测器的光谱响应度测试步骤：a)按照8.2的要求测量待测热电型太赫兹探测器在波长λ。处的响应度；b)使用太赫兹时域光谱仪或太赫兹傅里叶光谱仪，测量热电型太赫兹探测器光敏面在波长λ₁~λ₂测量数据记录表示例见附录A。8.4噪声等效功率热电型太赫兹探测器在波长λ。处的噪声等效功率测试步骤：a)按照8.2的要求测量待测热电型太赫兹探测器在波长λ。处的响应度；b)按照图2搭建热电型太赫兹探测器的噪声测试装置，设置频谱分析仪的中心频率、扫宽、通道带宽、分辨率带宽和视频带宽，通道带宽应大于零，扫宽应大于或等于通道带宽，测量待测热电型太赫兹探测器和前置放大器的总噪声功率，若步骤a)使用了斩光器，频谱分析仪的中心频率应与斩光频率保持一致；c)把前置放大器的输入端短路，测量前置放大器的噪声功率。5测量数据记录表示例见附录A。2544标引序号说明：1——待测热电型太赫兹探测器；2——光屏蔽盒；3——前置放大器；4——频谱分析仪；5——电源。图2热电型太赫兹探测器噪声测试原理图8.5探测率热电型太赫兹探测器在波长λ。处的探测率测试步骤：a)按照8.1的要求测量待测热电型太赫兹探测器的光敏面面积；b)按照8.4的要求测量待测热电型太赫兹探测器在波长λ。处的噪声等效功率。测量数据记录表示例见附录A。8.6响应时间热电型太赫兹探测器的响应时间测试步骤：a)若测试过程未使用斩光器，移出挡光板测试上升时间，待测热电型太赫兹探测器输出电信号稳定后，移入挡光板测试下降时间，并使用示波器记录整个过程中待测热电型太赫兹探测器的输出电信号波形；b)若测试过程使用斩光器，使用示波器直接记录整个过程中待测热电型太赫兹探测器的输出电信号波形。测量数据记录表示例见附录A。热电型太赫兹探测器的非线性度测试步骤：a)在待测热电型太赫兹探测器的量程内，按照衰减量由大到小的顺序依次调节太赫兹可变衰减器；b)将参考太赫兹功率计放入光路，移出挡光板，记录参考太赫兹功率计和监测太赫兹功率计的测量值；c)将待测热电型太赫兹探测器放入光路，移入挡光板，记录待测热电型太赫兹探测器的暗电压，移出挡光板，记录待测热电型太赫兹探测器的信号电压，以及监测太赫兹功率计的测量值；d)重复步骤a)～步骤c),测量n(n≥5)组数据。测量数据记录表示例见附录A。热电型太赫兹探测器的重复性测试步骤：a)将待测热电型太赫兹探测器放入光路，移出挡光板，待测热电型太赫兹探测器输出稳定后，记录待测热电型太赫兹探测器输出信号电压，以及监测太赫兹功率计的测量值，移入挡光板；b)重复上述步骤，测量n(n≥10)组数据。6GB/T43597—2023测量数据记录表示例见附录A。9试验数据处理9.1光敏面面积待测热电型太赫兹探测器在X方向与Y方向的光敏面尺寸为测量n(n≥3)组数据的平均值，按照GB/T13584—2011中6.7.1规定的公式计算热电型太赫兹探测器的光敏面面积。9.2响应度为减小太赫兹源输出不稳定引入的测量误差，需要对待测热电型太赫兹探测器的信号电压进行修正，经修正后信号电压表达为公式(1): (1)式中：Vum.;——待测热电型太赫兹探测器第i次测量信号电压的修正值，单位为伏(V);V.——待测热电型太赫兹探测器第i次测量的信号电压，单位为伏(V);Pmr.;——参考太赫兹功率计第i次测量时的功率监测值，单位为瓦(W);Pm..;——待测热电型太赫兹探测器第i次测量时的功率监测值，单位为瓦(W)。通过入射太赫兹辐射功率计算待测热电型太赫兹探测器的响应度表达为公式(2):式中：S(λ₀)——待测热电型太赫兹探测器在波长λ。处的响应度，单位为伏每瓦(V/W);Vud.;——待测热电型太赫兹探测器第i次测量的暗电压，单位为伏(V);P.——参考太赫兹功率计第i次测量的功率，单位为瓦(W)。通过入射太赫兹辐射能量计算待测热电型太赫兹探测器的响应度表达为公式(3):式中：S(λ₀)——待测热电型太赫兹探测器在波长λ。处的响应度，单位为伏每焦(V/J);f——斩光器的斩光频率，单位为赫兹(Hz)。9.3光谱响应度待测热电型太赫兹探测器的光谱响应度表达为公式(4):式中：S(λ)——待测热电型太赫兹探测器在波长λ处的响应度，单位为伏每瓦或伏每焦(V/W或V/J);R(λ)——待测热电型太赫兹探测器光敏面在波长λ处的反射率；R(λ₀)——待测热电型太赫兹探测器光敏面在波长λ。处的反射率。9.4噪声等效功率待测热电型太赫兹探测器的噪声表达为公式(5):7GB/T43597—2023式中：V——待测热电型太赫兹探测器的噪声，单位为伏(V);P。n——待测热电型太赫兹探测器和前置放大器的总噪声功率，单位为瓦(W);Pa——前置放大器的噪声功率，单位为瓦(W);R——频谱分析仪的输入电阻，单位为欧姆(Ω);G——前置放大器的增益。待测热电型太赫兹探测器的噪声等效功率表达为公式(6):式中：S(λ₀)——待测热电型太赫兹探测器在波长λ。处的响应度，单位为伏每瓦(V/W);△f——频谱分析仪的通道带宽，单位为赫兹(Hz)。9.5探测率待测热电型太赫兹探测器的探测率表达为公式(7):式中：D(λ₀)——待测热电型太赫兹探测器在波长λ。处的探测率，单位为厘米根号赫兹每瓦(cm·Hz¹/2/W);S(λ₀)——待测热电型太赫兹探测器在波长λ。处的响应度，单位为伏每瓦(V/W);A——待测热电型太赫兹探测器的光敏面面积，单位为平方厘米(cm²)。9.6响应时间待测热电型太赫兹探测器的上升时间表达为公式(8):t,——待测热电型太赫兹探测器的上升时间，单位为秒(s);ti..——太赫兹入射到待测热电型太赫兹探测器后，待测热电型太赫兹探测器输出有效信号最大值90%对应时间，单位为秒(s);t₂.—-太赫兹入射到待测热电型太赫兹探测器后，待测热电型太赫兹探测器输出有效信号最大值10%对应时间，单位为秒(s)。待测热电型太赫兹探测器的下降时间表达为公式(9):tf=tz.f—t₁.f………(9)t;——待测热电型太赫兹探测器的下降时间，单位为秒(s);t₁.——入射到待测热电型太赫兹探测器的太赫兹关闭后，待测热电型太赫兹探测器输出有效信号最大值90%对应时间，单位为秒(s);tz.——入射到待测热电型太赫兹探测器的太赫兹关闭后，待测热电型太赫兹探测器输出有效信号最大值10%对应时间，单位为秒(s)。8GB/T43597—20239.7非线性度为减小太赫兹源输出不稳定引入的测量误差，需要对待测热电型太赫兹探测器的信号电压按照公式(1)进行修正。待测热电型太赫兹探测器的信号电压修正值与暗电压之差，也可称之为待测热电型太赫兹探测器的有效测量电压。把待测热电型太赫兹探测器的有效测量电压与参考太赫兹功率计测量的功率值，使用最小二乘法进行拟合，获得待测热电型太赫兹探测器有效测量电压，与参考太赫兹功率计测量值之间的线性关系表达为公式(10):Vm——待测热电型太赫兹探测器的拟合电压，单位为伏(V);P,——参考太赫兹功率计测量的功率值，单位为瓦(W);a——最小二乘法拟合直线的斜率；b——最小二乘法拟合直线的截距。待测热电型太赫兹探测器的非线性度表达为公式(11):……(11)L——待测热电型太赫兹探测器的非线性度；Vt.;——待测热电型太赫兹探测器第i次测量的拟合电压，单位为伏(V)。9.8重复性为减小太赫兹源输出不稳定引入的测量误差，需对待测热电型太赫兹探测器的信号电压进行修正，经修正后信号电压表达为公式(12):………)Pm...1——待测热电型太赫兹探测器第1次测量时的功率监测值，单位为瓦(W)。待测热电型太赫兹探