1 超導隧道結混頻器0011.1 引言0031.2 超導量子混頻理論0071.2.1 超導基本理論0071.2.2 約瑟夫森效應0131.2.3 經典混頻理論0161.2.4 超導隧道結準粒子隧穿效應0241.2.5 量子混頻理論0291.3 超導隧道結單片集成調諧技術0331.3.1 Mattis Bardeen理論及表面阻抗0331.3.2 超導隧道結調諧和阻抗變換電路0351.4 超導隧道結混頻器芯片制備工藝0351.5 毫米波和亞毫米波超導隧道結混頻器0361.6 小結與展望0412 超導熱電子混頻器0432.1 引言0452.2 超導熱電子混頻器基本原理0452.2.1 超導熱電子混頻器原理0452.2.2 超導熱電子混頻器特性0502.3 超導熱電子混頻器熱點模型0582.3.1 一維熱點模型0582.3.2 非均勻吸收熱點模型0622.4 超導熱電子混頻器物理機制及特性0662.4.1 超導熱電子混頻器量子噪聲0662.4.2 超導熱電子混頻器溫度變化特性0682.4.3 超導熱電子混頻器犜c變化特性0712.4.4 超導熱電子混頻器磁場變化特性0742.5 天線耦合超導熱電子混頻器0772.5.1 1.3THz頻段超導熱電子混頻器0772.5.2 0.1~1.5THz超寬帶超導熱電子混頻器082003 目錄2.6 小結與展望0843 超導動態電感探測器0873.1 引言0903.1.1 MKID發展歷史及應用領域0903.1.2 MKID芯片常用薄膜特性0913.1.3 MKID的結構設計0923.2 超導動態電感探測器機理及特性0943.2.1 超導動態電感探測器基本原理0943.2.2 超導動態電感探測器特性1023.3 頻分復用讀出技術1113.3.1 超導探測器讀出技術1113.3.2 MKID頻分復用讀出技術1123.3.3 ×MKID頻分復用讀出電路1163.4 ×超導動態電感探測器陣列1183.4.1 探測器陣列仿真設計1193.4.2 探測器陣列芯片制備1213.4.3 探測器陣列特性1253.5 小結與展望1404 超導相變邊緣探測器1414.1 引言1434.2 輻射熱探測器基本原理1454.3 超導相變邊緣探測器機理及特性1504.3.1 超導相變邊緣探測器基本原理1504.3.2 超導相變邊緣探測器噪聲1554.3.3 超導相變邊緣探測器復阻抗1594.4超導相變邊緣探測器1604.4.1 單層膜超導相變邊緣探測器1604.4.2 雙層膜超導相變邊緣探測器1644.4.3 合金膜超導相變邊緣探測器165超高靈敏度太赫茲超導探測器004 4.5 大規模超導相變邊緣探測器陣列1664.5.1 超導相變邊緣探測器陣列1674.5.2 超導相變邊緣探測器陣列讀出電路1684.5.3×超導相變邊緣探測器陣列1764.5.4 2超導相變邊緣探測器陣列1804.6 超導相變邊緣單光子探測器1824.6.1 超導相變邊緣單光子探測器特性1824.6.2 鎢超導相變邊緣單光子探測器1844.6.3 鈦超導相變邊緣單光子探測器1864.6.4 鈦金超導相變邊緣單光子探測器1904.7 小結與展望1915 量子級聯激光器與超導熱電子混頻器集成技術研究1935.1 引言1955.2 太赫茲量子級聯激光器基本原理1975.2.1 太赫茲量子級聯激光器電子輸運特性1985.2.2 太赫茲量子級聯激光器諧振腔特性2015.3 太赫茲量子級聯激光器輻射特性及調控2035.3.1 太赫茲量子級聯激光器波束特性2035.3.2 太赫茲量子級聯激光器頻率特性2095.3.3 太赫茲量子級聯激光器功率特性2125.4 太赫茲量子級聯激光器與超導熱電子混頻器的集成技術2135.4.1 2.5/2.7THz頻段高集成度超導接收機2135.4.2 2.9/3.5THz頻段基於量子級聯激光器的高分辨率頻譜儀2165.4.3 30THz頻段基於量子級聯激光器的高分辨率頻譜儀2285.5 小結與展望232參考文獻233索引243

太赫茲（THz）波段一般定義為0.1~10THz的頻率區間，覆蓋短毫米波至亞毫米波（遠紅外）頻段。人們早已認識到該波段在天文學、大氣科學、物理學、材料科學、生命科學、信息科學等領域的重要科學意義及豐富應用前景。但長期以來，由於太赫茲探測及信號產生技術的嚴重缺乏，以及地球大氣對太赫茲輻射的強吸收，導致該波段至今還是一個有待全面研究和開發應用的電磁波段。另一方面，隨著太赫茲技術研究的深入，針對太赫茲應用的探討也在逐漸深化。在天文學領域，太赫茲及遠紅外譜段觀測幾乎涉及當代天文學的所有基本問題，尤其在恆星及其行星繫統的形成與演化、早期宇宙演化等前沿領域研究中具有不可替代的作用。近期，在宇宙微波背景、黑洞、極早期星繫、原行星盤、宇宙生命環境等觀測研究方面取得了突破進展。在大氣科學領域，地球大氣中大量臭氧、鹵素化合物等微量氣體分子發射譜線和水汽、氧等分子吸收譜線都位於太赫茲頻段，針對這些太赫茲微量氣體示蹤分子的探測對於理解全球氣候變化趨勢有非常重要的作用。太赫茲譜段的另外兩項重要應用是：太赫茲通信與太赫茲成像。太赫茲通信主要利用該頻段的豐富頻譜資源，但受到大氣對太赫茲信號衰減影響，仍局限於大容量、近距離通信。太赫茲成像的優勢在於：與光學紅外譜段比有一定的穿透性，與微波比有更高的空間分辨率，此外該波段有其獨特的“指紋”譜特征。因此，太赫茲成像在國家安全、生命科學，以及天文學等領域正顯現其重要應用價值。針對上述太赫茲譜段的諸多應用，高靈敏度相干探測器及非相干成像探測器不可或缺。眾所周知，超導現像發現於1911年，但直到1957年，基於微觀量子理論的超高靈敏度太赫茲超導探測器002 BCS理論建立纔較為完滿地解釋了超導電性的物理本質。BCS理論引入了庫珀對概念，庫珀對兩個電子間的相干長度為0.1~1μm,結合能量(即能隙)在meV水平。由於超導體的超低能隙，一直被認為是理想的微波至高能譜段的光子探測器。20世紀60年代初期，BrianJosephson理論預言了Josephson效應，Ivar Giaever實驗發現了超導體中的準粒子隧穿效應，自此纔真正開始了基於超導隧穿效應的混頻實驗研究。20世紀70年代末至20世紀80年代初，JohnTucker等建立了基於光子輔助準粒子隧穿效應的量子混頻理論，並預言混頻器噪聲可達量子噪聲、可實現變頻增益，以及具有負阻效應等重要結果；Bell實驗室的M.Gurvitch等發明了基於標準光刻工藝的Nb/Al AlO狓/Nb超導隧道結制備工藝，使得超導隧道結器件制備可靠性及質量得到大幅提升。自此以後，毫米波、亞毫米波段超導隧道結（Superconductor Insulator Superconductor，SIS）混頻器技術研究及應用得到快速發展，特別是在國際大科學裝置SMA 和ALMA、空間天文臺Herschel等應用驅動下。20世紀90年代末，另外一種基於納米尺度厚超導薄膜的超導熱電子（Hot Electron Bolometer，HEB）混頻器技術又應運而生，使得此類混頻器探測瞬時帶寬達GHz水準。通過近二十年的發展，超導HEB混頻器已可覆蓋整個太赫茲譜段，且靈敏度（即噪聲溫度）已接近5倍量子噪聲。超導SIS和HEB混頻器是目前1THz以下和1THz以上譜段靈敏的高頻譜分辨率譜線探測器。在太赫茲成像探測方面，超導探測器誕生之前主要依賴於半導體Bolometer，但探測器陣列及靈敏度都受到很大限制。得益於21世紀初超導相變邊緣探測器(Transition EdgeSensor，TES)和超導動態電感探測器(Microwave Kinetic Inductance Detectors， MKID)技術的發展，大規模陣列成像裝置得到快速發展，已經廣泛應用於宇宙微波背景觀測等領域。總之，太赫茲超導探測器在天文觀測領域正發揮越來越重要的作用，在大氣科學、量子信息等領域也受到特別關注。本書主要介紹目前四種國際主流的超導探測器，對於太赫茲頻段高靈敏度探測感興趣的讀者應有重要參考價值。本書主要分為５ 章，分別介紹了超導隧道結(SIS)混頻器，超導熱電子(HEB)混頻器，超導動態電感探測器(MKID)，超導相變邊緣探測器(TES)以及量子級聯激光器(QCL)與超導熱電子(HEB)混頻器結合的相關理論、國內外研究進展和相關實驗技術等。本書由史生纔和李婧撰寫第１章，繆巍撰寫第２章，李婧和石晴撰寫第３章，張文撰寫第４章，任遠撰寫第５章，並由石晴負責本書的編輯和整理工作。本書內容著重於基本原理的介紹和現像的理解，一些實驗細節和更深入的內容未過多涉及，有興趣的讀者可以參考書後的相關參考文獻。由於編者水平有限，書中難免還存在疏漏，殷切希望廣大讀者批評指正。