GBT 43597-2023 熱電型太赫茲探測器參數(shù)測試方法

熱電型太赫茲探測器參數(shù)測試方法2023-12-28發(fā)布國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會I前言 l2規(guī)范性引用文件 13術(shù)語和定義 14原理 25試驗條件 36儀器設(shè)備 37樣品 48試驗步驟 48.1光敏面面積 48.2響應(yīng)度 48.3光譜響應(yīng)度 48.4噪聲等效功率 48.5探測率 58.6響應(yīng)時間 58.7非線性度 58.8重復(fù)性 59試驗數(shù)據(jù)處理 69.1光敏面面積 69.2響應(yīng)度 69.3光譜響應(yīng)度 69.4噪聲等效功率 69.5探測率 79.6響應(yīng)時間 79.7非線性度 89.8重復(fù)性 810測試報告 8附錄A(資料性)測試報告記錄表 參考文獻(xiàn) I本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機(jī)構(gòu)不承擔(dān)識別專利的責(zé)任。本文件由中國科學(xué)院提出。本文件由全國光電測量標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(SAC/TC487)歸口。本文件起草單位：中電科思儀科技股份有限公司、中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所、中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院、南京大學(xué)、中國計量科學(xué)研究院、中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究1熱電型太赫茲探測器參數(shù)測試方法本文件描述了熱電型太赫茲探測器參數(shù)測試的原理、試驗條件、儀器設(shè)備、樣品、試驗步驟和試驗數(shù)據(jù)處理。本文件適用于熱電型太赫茲探測器。太赫茲高萊探測器和太赫茲量子阱探測器參照執(zhí)行。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T13584—2011紅外探測器參數(shù)測試方法3術(shù)語和定義GB/T13584—2011界定的以及下列術(shù)語和定義適用于本文件。熱電型太赫茲探測器thermoelectricterahertzdetector工作波長涵蓋太赫茲波段，通過吸收太赫茲輻射產(chǎn)生熱能，由熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕膯卧綔y器。注：通常包含太赫茲熱電堆探測器、太赫茲熱釋電探測器和太赫茲微測熱輻射計。太赫茲熱電堆探測器terahertzthermopiledetector在太赫茲輻射作用下產(chǎn)生熱能，從而引起熱電堆兩端產(chǎn)生溫差，依據(jù)賽貝克效應(yīng)把溫差轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕囊环N探測器。太赫茲熱釋電探測器terahertzpyroelectricdetector在周期性太赫茲輻射作用下產(chǎn)生熱能，從而引起熱釋電材料溫度變化，依據(jù)熱釋電效應(yīng)把溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕囊环N探測器。太赫茲微測熱輻射計terahertzbolometer在周期性太赫茲輻射作用下產(chǎn)生熱能，從而引起熱敏薄膜溫度變化，導(dǎo)致熱敏薄膜的電阻發(fā)生變化，在外加偏置電流作用下產(chǎn)生電信號的一種探測器。響應(yīng)度responsivity探測器輸出電信號，與入射電磁波的功率或能量之比。[來源：JJG(電子)30904—2008,3.1,有修改]噪聲等效功率noiseequivalentpower在單位測量帶寬內(nèi)，探測器輸出信噪比為1時，入射到探測器的電磁波功率。2探測器的響應(yīng)度除以均方根噪聲，并折算到單位測量帶寬與單位光敏面面積之積的平方根值。[來源：GB/T13584—2011,3.5,有修改]探測器對電磁波響應(yīng)的延遲時間，包括上升時間和下降時間。注1:上升時間是指電磁波入射到探測器后，扣除探測器的暗電信號，探測器輸出電信號從最大穩(wěn)定值的10%上升到90%所需的時間。注2:下降時間是指入射到探測器的電磁波關(guān)閉后，扣除探測器的暗電信號，探測器輸出電信號從最大穩(wěn)定值的90%下降到10%所需的時間。[來源：GB/T13584—2011,3.9,有修改]隨入射電磁波的功率或能量變化，探測器輸出電信號與入射電磁波功率或能量的擬合直線，和探測器輸出曲線的偏離程度。[來源：GB/T7665—2005,3.5.1.55,有修改]在一段短的時間間隔內(nèi)，并在相同的工作條件下，探測器對同一束電磁波重復(fù)測量，輸出穩(wěn)定電信號之間的分散程度。[來源：GB/T18459—2001,2.3,有修改]熱電型太赫茲探測器參數(shù)測試裝置的基本配置見圖1,將待測熱電型太赫茲探測器安裝在可上、57 9標(biāo)引序號說明：1——太赫茲源；2——斬光器；3——擋光板；4——太赫茲可變衰減器；5——太赫茲分束鏡；6——太赫茲會聚系統(tǒng)；7——參考太赫茲功率計；8——監(jiān)測太赫茲功率計；9——待測熱電型太赫茲探測器；10——前置放大器；11——示波器或萬用表；12——導(dǎo)軌。圖1熱電型太赫茲探測器參數(shù)測試原理圖3通過太赫茲可變衰減器將一臺高性能、穩(wěn)定輸出的太赫茲源，調(diào)整到期望的脈沖能量或連續(xù)功率。太赫茲分束鏡把太赫茲輻射分為兩束，一束太赫茲輻射會聚到太赫茲會聚系統(tǒng)焦平面處，通過調(diào)節(jié)保證待測熱電型太赫茲探測器或參考太赫茲功率計的光敏面在該平面內(nèi)，并且太赫茲光束入射到待測熱電型太赫茲探測器或參考太赫茲功率計的光敏面中心，使用示波器或萬用表測試待測熱電型太赫茲探測器的輸出電信號，待測熱電型太赫茲探測器與參考太赫茲功率計可通過導(dǎo)軌互換位置；另一束太赫茲輻射會聚到位于太赫茲會聚系統(tǒng)焦平面處的監(jiān)測太赫茲功率計，監(jiān)測太赫茲源輸出的穩(wěn)定性，通過調(diào)節(jié)保證太赫茲光束入射到監(jiān)測太赫茲功率計的光敏面中心。太赫茲源宜選擇輸出為連續(xù)輻射的光源，參考太赫茲功率計和監(jiān)測太赫茲功率計宜選擇基于熱電堆探測器的太赫茲功率計，以便完成連續(xù)輻射和脈沖輻射的功率測試。當(dāng)待測對象為太赫茲熱電堆探測器時，可不使用斬光器；當(dāng)待測對象為太赫茲熱釋電探測器或太赫茲微測熱輻射計時，應(yīng)在太赫茲源后面放置斬光器，斬光器的斬光頻率應(yīng)在待測熱電型太赫茲探測器的調(diào)制頻率范圍內(nèi)。當(dāng)待測熱電型太赫茲探測器輸出電信號小于或等于示波器或萬用表的本底噪聲時，應(yīng)使用前置放大器對輸出電信號放大后測試，此時待測熱電型太赫茲探測器輸出電信號，為示波器或萬用表的測試值與前置放大器增益的比值。當(dāng)待測熱電型太赫茲探測器的響應(yīng)時間大于或等于1s時，宜使用擋光板測試響應(yīng)時間，否則宜使用斬光器測試響應(yīng)時間。經(jīng)過斬光器之后脈沖輻射的上升時間和下降時間，應(yīng)遠(yuǎn)小于待測熱電型太赫茲探測器的上升時間和下降時間。5試驗條件試驗條件應(yīng)滿足以下要求：b)相對濕度：≤60%;d)海拔高度(氣壓):0m～1350m。6儀器設(shè)備測試熱電型太赫茲探測器參數(shù)使用的儀器設(shè)備滿足下列要求：a)太赫茲源、太赫茲可變衰減器、太赫茲分束鏡、太赫茲會聚系統(tǒng)、參考太赫茲功率計和監(jiān)測太赫茲功率計，都應(yīng)與待測熱電型太赫茲探測器具有相同的工作波長；b)試驗所用測量儀器設(shè)備應(yīng)經(jīng)過計量檢定機(jī)構(gòu)檢定合格，并在有效期內(nèi)；c)太赫茲源輸出穩(wěn)定性應(yīng)優(yōu)于±2%/10min;d)太赫茲可變衰減器、太赫茲分束鏡和太赫茲會聚系統(tǒng)應(yīng)不影響太赫茲輻射穩(wěn)定性，通過太赫茲可變衰減器、太赫茲分束鏡和太赫茲會聚系統(tǒng)的太赫茲輻射仍能滿足c)的允差要求；e)參考太赫茲功率計和監(jiān)測太赫茲功率計的響應(yīng)時間應(yīng)小于或等于3s;f)斬光器的斬光頻率應(yīng)涵蓋1Hz～1kHz;g)頻譜分析儀的頻率范圍應(yīng)涵蓋3Hz～1MHz;h)示波器的最低靈敏度應(yīng)≤1mV/div;i)萬用表應(yīng)具有直流電壓、交流電壓測試功能，數(shù)字分辨率應(yīng)優(yōu)于7%;j)太赫茲傅里葉光譜儀應(yīng)具有反射率測試功能；k)太赫茲時域光譜儀應(yīng)具有反射率測試功能；41)游標(biāo)卡尺的測量范圍應(yīng)涵蓋0mm～100mm;m)光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)為40倍～1500倍，X、Y方向可調(diào)，調(diào)節(jié)精度為±1/μm,測微目鏡分度值為0.5μm,標(biāo)準(zhǔn)分劃板分度值為0.5μm,內(nèi)置可轉(zhuǎn)棱鏡自由選擇方向。7樣品測試樣品為熱電型太赫茲探測器，測試樣品的存儲、清潔和準(zhǔn)備應(yīng)按照樣品使用說明執(zhí)行，并放在適當(dāng)?shù)臉悠穵A持器內(nèi)，避免對樣品造成損傷。測試樣品的光敏面直徑(或?qū)蔷€)應(yīng)大于或等于入射太赫茲光束直徑的5倍。8試驗步驟8.1光敏面面積使用光學(xué)顯微鏡按照GB/T13584—2011中6.7.1規(guī)定的步驟，測量待測熱電型太赫茲探測器在X方向與Y方向的光敏面尺寸，或使用游標(biāo)卡尺測量待測熱電型太赫茲探測器在X方向與Y方向的光測量數(shù)據(jù)記錄表示例見附錄A。8.2響應(yīng)度熱電型太赫茲探測器在波長λ。處的響應(yīng)度測試步驟：a)將參考太赫茲功率計放入光路，移出擋光板，記錄參考太赫茲功率計和監(jiān)測太赫茲功率計的測量值；b)將待測熱電型太赫茲探測器放入光路，移入擋光板，記錄待測熱電型太赫茲探測器的暗電壓，移出擋光板，記錄待測熱電型太赫茲探測器的信號電壓，以及監(jiān)測太赫茲功率計的測量值；c)重復(fù)步驟a)～步驟b),測量n(n≥3)組數(shù)據(jù)。測量數(shù)據(jù)記錄表示例見附錄A。8.3光譜響應(yīng)度熱電型太赫茲探測器的光譜響應(yīng)度測試步驟：a)按照8.2的要求測量待測熱電型太赫茲探測器在波長λ。處的響應(yīng)度；b)使用太赫茲時域光譜儀或太赫茲傅里葉光譜儀，測量熱電型太赫茲探測器光敏面在波長λ?~λ?測量數(shù)據(jù)記錄表示例見附錄A。8.4噪聲等效功率熱電型太赫茲探測器在波長λ。處的噪聲等效功率測試步驟：a)按照8.2的要求測量待測熱電型太赫茲探測器在波長λ。處的響應(yīng)度；b)按照圖2搭建熱電型太赫茲探測器的噪聲測試裝置，設(shè)置頻譜分析儀的中心頻率、掃寬、通道帶寬、分辨率帶寬和視頻帶寬，通道帶寬應(yīng)大于零，掃寬應(yīng)大于或等于通道帶寬，測量待測熱電型太赫茲探測器和前置放大器的總噪聲功率，若步驟a)使用了斬光器，頻譜分析儀的中心頻率應(yīng)與斬光頻率保持一致；c)把前置放大器的輸入端短路，測量前置放大器的噪聲功率。5測量數(shù)據(jù)記錄表示例見附錄A。2544標(biāo)引序號說明：1——待測熱電型太赫茲探測器；2——光屏蔽盒；3——前置放大器；4——頻譜分析儀；5——電源。圖2熱電型太赫茲探測器噪聲測試原理圖8.5探測率熱電型太赫茲探測器在波長λ。處的探測率測試步驟：a)按照8.1的要求測量待測熱電型太赫茲探測器的光敏面面積；b)按照8.4的要求測量待測熱電型太赫茲探測器在波長λ。處的噪聲等效功率。測量數(shù)據(jù)記錄表示例見附錄A。8.6響應(yīng)時間熱電型太赫茲探測器的響應(yīng)時間測試步驟：a)若測試過程未使用斬光器，移出擋光板測試上升時間，待測熱電型太赫茲探測器輸出電信號穩(wěn)定后，移入擋光板測試下降時間，并使用示波器記錄整個過程中待測熱電型太赫茲探測器的輸出電信號波形；b)若測試過程使用斬光器，使用示波器直接記錄整個過程中待測熱電型太赫茲探測器的輸出電信號波形。測量數(shù)據(jù)記錄表示例見附錄A。熱電型太赫茲探測器的非線性度測試步驟：a)在待測熱電型太赫茲探測器的量程內(nèi)，按照衰減量由大到小的順序依次調(diào)節(jié)太赫茲可變衰減器；b)將參考太赫茲功率計放入光路，移出擋光板，記錄參考太赫茲功率計和監(jiān)測太赫茲功率計的測量值；c)將待測熱電型太赫茲探測器放入光路，移入擋光板，記錄待測熱電型太赫茲探測器的暗電壓，移出擋光板，記錄待測熱電型太赫茲探測器的信號電壓，以及監(jiān)測太赫茲功率計的測量值；d)重復(fù)步驟a)～步驟c),測量n(n≥5)組數(shù)據(jù)。測量數(shù)據(jù)記錄表示例見附錄A。熱電型太赫茲探測器的重復(fù)性測試步驟：a)將待測熱電型太赫茲探測器放入光路，移出擋光板，待測熱電型太赫茲探測器輸出穩(wěn)定后，記錄待測熱電型太赫茲探測器輸出信號電壓，以及監(jiān)測太赫茲功率計的測量值，移入擋光板；b)重復(fù)上述步驟，測量n(n≥10)組數(shù)據(jù)。6GB/T43597—2023測量數(shù)據(jù)記錄表示例見附錄A。9試驗數(shù)據(jù)處理9.1光敏面面積待測熱電型太赫茲探測器在X方向與Y方向的光敏面尺寸為測量n(n≥3)組數(shù)據(jù)的平均值，按照GB/T13584—2011中6.7.1規(guī)定的公式計算熱電型太赫茲探測器的光敏面面積。9.2響應(yīng)度為減小太赫茲源輸出不穩(wěn)定引入的測量誤差，需要對待測熱電型太赫茲探測器的信號電壓進(jìn)行修正，經(jīng)修正后信號電壓表達(dá)為公式(1): (1)式中：Vum.;——待測熱電型太赫茲探測器第i次測量信號電壓的修正值，單位為伏(V);V.——待測熱電型太赫茲探測器第i次測量的信號電壓，單位為伏(V);Pmr.;——參考太赫茲功率計第i次測量時的功率監(jiān)測值，單位為瓦(W);Pm..;——待測熱電型太赫茲探測器第i次測量時的功率監(jiān)測值，單位為瓦(W)。通過入射太赫茲輻射功率計算待測熱電型太赫茲探測器的響應(yīng)度表達(dá)為公式(2):式中：S(λ?)——待測熱電型太赫茲探測器在波長λ。處的響應(yīng)度，單位為伏每瓦(V/W);Vud.;——待測熱電型太赫茲探測器第i次測量的暗電壓，單位為伏(V);P.——參考太赫茲功率計第i次測量的功率，單位為瓦(W)。通過入射太赫茲輻射能量計算待測熱電型太赫茲探測器的響應(yīng)度表達(dá)為公式(3):式中：S(λ?)——待測熱電型太赫茲探測器在波長λ。處的響應(yīng)度，單位為伏每焦(V/J);f——斬光器的斬光頻率，單位為赫茲(Hz)。9.3光譜響應(yīng)度待測熱電型太赫茲探測器的光譜響應(yīng)度表達(dá)為公式(4):式中：S(λ)——待測熱電型太赫茲探測器在波長λ處的響應(yīng)度，單位為伏每瓦或伏每焦(V/W或V/J);R(λ)——待測熱電型太赫茲探測器光敏面在波長λ處的反射率；R(λ?)——待測熱電型太赫茲探測器光敏面在波長λ。處的反射率。9.4噪聲等效功率待測熱電型太赫茲探測器的噪聲表達(dá)為公式(5):7GB/T43597—2023式中：V——待測熱電型太赫茲探測器的噪聲，單位為伏(V);P。n——待測熱電型太赫茲探測器和前置放大器的總噪聲功率，單位為瓦(W);Pa——前置放大器的噪聲功率，單位為瓦(W);R——頻譜分析儀的輸入電阻，單位為歐姆(Ω);G——前置放大器的增益。待測熱電型太赫茲探測器的噪聲等效功率表達(dá)為公式(6):式中：S(λ?)——待測熱電型太赫茲探測器在波長λ。處的響應(yīng)度，單位為伏每瓦(V/W);△f——頻譜分析儀的通道帶寬，單位為赫茲(Hz)。9.5探測率待測熱電型太赫茲探測器的探測率表達(dá)為公式(7):式中：D(λ?)——待測熱電型太赫茲探測器在波長λ。處的探測率，單位為厘米根號赫茲每瓦(cm·Hz1/2/W);S(λ?)——待測熱電型太赫茲探測器在波長λ。處的響應(yīng)度，單位為伏每瓦(V/W);A——待測熱電型太赫茲探測器的光敏面面積，單位為平方厘米(cm2)。9.6響應(yīng)時間待測熱電型太赫茲探測器的上升時間表達(dá)為公式(8):t,——待測熱電型太赫茲探測器的上升時間，單位為秒(s);ti..——太赫茲入射到待測熱電型太赫茲探測器后，待測熱電型太赫茲探測器輸出有效信號最大值90%對應(yīng)時間，單位為秒(s);t?.—-太赫茲入射到待測熱電型太赫茲探測器后，待測熱電型太赫茲探測器輸出有效信號最大值10%對應(yīng)時間，單位為秒(s)。待測熱電型太赫茲探測器的下降時間表達(dá)為公式(9):tf=tz.f—t?.f………(9)t;——待測熱電型太赫茲探測器的下降時間，單位為秒(s);t?.——入射到待測熱電型太赫茲探測器的太赫茲關(guān)閉后，待測熱電型太赫茲探測器輸出有效信號最大值90%對應(yīng)時間，單位為秒(s);tz.——入射到待測熱電型太赫茲探測器的太赫茲關(guān)閉后，待測熱電型太赫茲探測器輸出有效信號最大值10%對應(yīng)時間，單位為秒(s)。8GB/T43597—20239.7非線性度為減小太赫茲源輸出不穩(wěn)定引入的測量誤差，需要對待測熱電型太赫茲探測器的信號電壓按照公式(1)進(jìn)行修正。待測熱電型太赫茲探測器的信號電壓修正值與暗電壓之差，也可稱之為待測熱電型太赫茲探測器的有效測量電壓。把待測熱電型太赫茲探測器的有效測量電壓與參考太赫茲功率計測量的功率值，使用最小二乘法進(jìn)行擬合，獲得待測熱電型太赫茲探測器有效測量電壓，與參考太赫茲功率計測量值之間的線性關(guān)系表達(dá)為公式(10):Vm——待測熱電型太赫茲探測器的擬合電壓，單位為伏(V);P,——參考太赫茲功率計測量的功率值，單位為瓦(W);a——最小二乘法擬合直線的斜率；b——最小二乘法擬合直線的截距。待測熱電型太赫茲探測器的非線性度表達(dá)為公式(11):……(11)L——待測熱電型太赫茲探測器的非線性度；Vt.;——待測熱電型太赫茲探測器第i次測量的擬合電壓，單位為伏(V)。9.8重復(fù)性為減小太赫茲源輸出不穩(wěn)定引入的測量誤差，需對待測熱電型太赫茲探測器的信號電壓進(jìn)行修正，經(jīng)修正后信號電壓表達(dá)為公式(12):………)Pm...1——待測熱電型太赫茲探測器第1次測量時的功率監(jiān)測值，單位為瓦(W)。待測熱電型太赫茲探