超高灵敏度太赫兹超导探测器

　　本书主要介绍四种超导探测器：超导隧道结（SIS）和超导热电子（HEB）混频器，超导动态电感探测器（MKID）和超导相变边缘探测器（TES）。其中前两种主要用于高光谱分辨率相干探测，后两种主要用于大规模阵列成像探测。具体内容包括四种超导探测器的基本原理、物理特性、设计分析方法及应用等。本书可供从事太赫兹频段高灵敏度探测的研究人员和相关工程技术人员使用，也可作为高等院校相关专业的参考用书。

　　史生才，1985年毕业于南京工学院（现东南大学）无线电工程系，1988年获中国科学院研究生院硕士学位，1996年获日本综合研究大学院大学天文系博士学位。现为中国电子学会微波分会学术委员会委员，东南大学毫米波国家重点实验室学术委员会委员，南京林业大学信息学院兼职教授，中科院上海天文台兼职博导。史生才研究员是1998年度国家基金委“国家基金委杰出青年科学基金”入选者，1999年度财政部“国外杰出人才引进计划”入选者，2007年江苏省“333高层次人才培养工程”中青年首席科学家入选者。 史生才研究员主要从事基于低温超导器件的太赫兹高灵敏度微弱信号探测技术研究及应用系统研究，在该领域已取得许多高水平成果：主持研制了我国首台100-GHz频段超导SIS接收机，并在其基础上成功研制了多谱线接收系统；主持研制了我国*500-GHz频段的低耗电小型化超导SIS接收系统，在我国首次观测到亚毫米波段的星际分子谱线；率领其团队与日本NiCT研究所合作，成功研制基于 NbN超导隧道结的500-GHz频段高性能超导混频器，在国际上首次将NbN超导混频技术应用于天文观测研究等。发表高水平（SCI收录）学术论文多篇，曾获国家科技进步奖二等奖、中科院科技进步二等奖、江苏省科技进步一等奖、青海省科技进步一等奖等。 主要研究方向为太赫兹探测技术、方法及应用。

1 超导隧道结混频器001
1.1 引言003
1.2 超导量子混频理论007
1.2.1 超导基本理论007
1.2.2 约瑟夫森效应013
1.2.3 经典混频理论016
1.2.4 超导隧道结准粒子隧穿效应024
1.2.5 量子混频理论029
1.3 超导隧道结单片集成调谐技术033
1.3.1 Mattis Bardeen理论及表面阻抗033
1.3.2 超导隧道结调谐和阻抗变换电路035
1.4 超导隧道结混频器芯片制备工艺035
1.5 毫米波和亚毫米波超导隧道结混频器036
1.6 小结与展望041
2 超导热电子混频器043
2.1 引言045
2.2 超导热电子混频器基本原理045
2.2.1 超导热电子混频器原理045
2.2.2 超导热电子混频器特性050
2.3 超导热电子混频器热点模型058
2.3.1 一维热点模型058
2.3.2 非均匀吸收热点模型062
2.4 超导热电子混频器物理机制及特性066
2.4.1 超导热电子混频器量子噪声066
2.4.2 超导热电子混频器温度变化特性068
2.4.3 超导热电子混频器犜c变化特性071
2.4.4 超导热电子混频器磁场变化特性074
2.5 天线耦合超导热电子混频器077
2.5.1 1.3THz频段超导热电子混频器077
2.5.2 0.1~1.5THz超宽带超导热电子混频器082
003 目录
2.6 小结与展望084
3 超导动态电感探测器087
3.1 引言090
3.1.1 MKID发展历史及应用领域090
3.1.2 MKID芯片常用薄膜特性091
3.1.3 MKID的结构设计092
3.2 超导动态电感探测器机理及特性094
3.2.1 超导动态电感探测器基本原理094
3.2.2 超导动态电感探测器特性102
3.3 频分复用读出技术111
3.3.1 超导探测器读出技术111
3.3.2 MKID频分复用读出技术112
3.3.3 32像元×32像元MKID频分复用读出电路116
3.4 32像元×32像元超导动态电感探测器阵列118
3.4.1 探测器阵列仿真设计119
3.4.2 探测器阵列芯片制备121
3.4.3 探测器阵列特性125
3.5 小结与展望140
4 超导相变边缘探测器141
4.1 引言143
4.2 辐射热探测器基本原理145
4.3 超导相变边缘探测器机理及特性150
4.3.1 超导相变边缘探测器基本原理150
4.3.2 超导相变边缘探测器噪声155
4.3.3 超导相变边缘探测器复阻抗159
4.4 单像元超导相变边缘探测器160
4.4.1 单层膜超导相变边缘探测器160
4.4.2 双层膜超导相变边缘探测器164
4.4.3 合金膜超导相变边缘探测器165
超高灵敏度太赫兹超导探测器004
4.5 大规模超导相变边缘探测器阵列166
4.5.1 超导相变边缘探测器阵列167
4.5.2 超导相变边缘探测器阵列读出电路168
4.5.3 8像元×8像元超导相变边缘探测器阵列176
4.5.4 256像元超导相变边缘探测器阵列180
4.6 超导相变边缘单光子探测器182
4.6.1 超导相变边缘单光子探测器特性182
4.6.2 钨超导相变边缘单光子探测器184
4.6.3 钛超导相变边缘单光子探测器186
4.6.4 钛金超导相变边缘单光子探测器190
4.7 小结与展望191
5 量子级联激光器与超导热电子混频器集成技术研究193
5.1 引言195
5.2 太赫兹量子级联激光器基本原理197
5.2.1 太赫兹量子级联激光器电子输运特性198
5.2.2 太赫兹量子级联激光器谐振腔特性201
5.3 太赫兹量子级联激光器辐射特性及调控203
5.3.1 太赫兹量子级联激光器波束特性203
5.3.2 太赫兹量子级联激光器频率特性209
5.3.3 太赫兹量子级联激光器功率特性212
5.4 太赫兹量子级联激光器与超导热电子混频器的集成技术213
5.4.1 2.5/2.7THz频段高集成度超导接收机213
5.4.2 2.9/3.5THz频段基于量子级联激光器的高分辨率频谱仪216
5.4.3 30THz频段基于量子级联激光器的高分辨率频谱仪228
5.5 小结与展望232
参考文献233
索引243