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。
战略前沿新技术太赫兹出版工程是华东理工大学出版社重大学术出版项目，得到了中国科学院雷啸霖院士、中国工程院庄松林院士等国内知名专家学者的大力支持。丛书总主编曹俊诚，中科院上海微系统与信息技术研究所研究员，国家杰出青年基金获得者（2004）、中科院百人计划入选者（2009）、国务院政府特殊津贴获得者、国家科技部重大仪器专项首席科学家。丛书共14分册，具体分为太赫兹源、太赫兹探测及太赫兹应用三大部分，阐释太赫兹测试过程中的各种前沿技术，详细介绍太赫兹基础性能研究以及太赫兹技术在国防、安全、通信、医疗、天文等诸多领域的应用，结合创作者多年的相关研究成果和实践经验，借鉴和归纳总结国内外相关研究领域专家学者和科研人员的研究成果，是国内首套全面、详细介绍太赫兹技术的原创丛书，代表了国内一流研究水平，为该领域专业人员提供关键技术参考，旨在加强先进技术的研发、推广和应用。本书为战略前沿新技术太赫兹出版工程05分册，全书采用80克雅质纸，彩色印刷。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。
太赫兹（THz）波段一般定义为0.1~10THz的频率区间，覆盖短毫米波至亚毫米波（远红外）频段。人们早已认识到该波段在天文学、大气科学、物理学、材料科学、生命科学、信息科学等领域的重要科学意义及丰富应用前景。但长期以来，由于太赫兹探测及信号产生技术的严重缺乏，以及地球大气对太赫兹辐射的强吸收，导致该波段至今还是一个有待全面研究和开发应用的电磁波段。另一方面，随着太赫兹技术研究的深入，针对太赫兹应用的探讨也在逐渐深化。在天文学领域，太赫兹及远红外谱段观测几乎涉及当代天文学的所有基本问题，尤其在恒星及其行星系统的形成与演化、早期宇宙演化等前沿领域研究中具有不可替代的作用。近期，在宇宙微波背景、黑洞、极早期星系、原行星盘、宇宙生命环境等观测研究方面取得了突破进展。在大气科学领域，地球大气中大量臭氧、卤素化合物等微量气体分子发射谱线和水汽、氧等分子吸收谱线都位于太赫兹频段，针对这些太赫兹微量气体示踪分子的探测对于理解全球气候变化趋势有非常重要的作用。太赫兹谱段的另外两项重要应用是：太赫兹通信与太赫兹成像。太赫兹通信主要利用该频段的丰富频谱资源，但受到大气对太赫兹信号衰减影响，仍局限于大容量、近距离通信。太赫兹成像的优势在于：与光学红外谱段比有一定的穿透性，与微波比有更高的空间分辨率，此外该波段有其独特的指纹谱特征。因此，太赫兹成像在国家安全、生命科学，以及天文学等领域正显现其重要应用价值。针对上述太赫兹谱段的诸多应用，高灵敏度相干探测器及非相干成像探测器不可或缺。众所周知，超导现象发现于1911年，但直到1957年，基于微观量子理论的超高灵敏度太赫兹超导探测器002 BCS理论建立才较为完满地解释了超导电性的物理本质。BCS理论引入了库珀对概念，库珀对两个电子间的相干长度为0.1~1m,结合能量(即能隙)在meV水平。由于超导体的超低能隙，一直被认为是理想的微波至高能谱段的光子探测器。20世纪60年代初期，BrianJosephson理论预言了Josephson效应，Ivar Giaever实验发现了超导体中的准粒子隧穿效应，自此才真正开始了基于超导隧穿效应的混频实验研究。20世纪70年代末至20世纪80年代初，JohnTucker等建立了基于光子辅助准粒子隧穿效应的量子混频理论，并预言混频器噪声可达量子噪声、可实现变频增益，以及具有负阻效应等重要结果；Bell实验室的M.Gurvitch等发明了基于标准光刻工艺的Nb/Al AlO狓/Nb超导隧道结制备工艺，使得超导隧道结器件制备可靠性及质量得到大幅提升。自此以后，毫米波、亚毫米波段超导隧道结（Superconductor Insulator Superconductor，SIS）混频器技术研究及应用得到快速发展，特别是在国际大科学装置SMA 和ALMA、空间天文台Herschel等应用驱动下。20世纪90年代末，另外一种基于纳米尺度厚超导薄膜的超导热电子（Hot Electron Bolometer，HEB）混频器技术又应运而生，使得此类混频器探测瞬时带宽达GHz水准。通过近二十年的发展，超导HEB混频器已可覆盖整个太赫兹谱段，且灵敏度（即噪声温度）已接近5倍量子噪声。超导SIS和HEB混频器是目前1THz以下和1THz以上谱段灵敏的高频谱分辨率谱线探测器。在太赫兹成像探测方面，超导探测器诞生之前主要依赖于半导体Bolometer，但探测器阵列及灵敏度都受到很大限制。得益于21世纪初超导相变边缘探测器(Transition EdgeSensor，TES)和超导动态电感探测器(Microwave Kinetic Inductance Detectors， MKID)技术的发展，大规模阵列成像装置得到快速发展，已经广泛应用于宇宙微波背景观测等领域。总之，太赫兹超导探测器在天文观测领域正发挥越来越重要的作用，在大气科学、量子信息等领域也受到特别关注。本书主要介绍目前四种国际主流的超导探测器，对于太赫兹频段高灵敏度探测感兴趣的读者应有重要参考价值。本书主要分为５ 章，分别介绍了超导隧道结(SIS)混频器，超导热电子(HEB)混频器，超导动态电感探测器(MKID)，超导相变边缘探测器(TES)以及量子级联激光器(QCL)与超导热电子(HEB)混频器结合的相关理论、国内外研究进展和相关实验技术等。本书由史生才和李婧撰写第１章，缪巍撰写第２章，李婧和石晴撰写第３章，张文撰写第４章，任远撰写第５章，并由石晴负责本书的编辑和整理工作。本书内容着重于基本原理的介绍和现象的理解，一些实验细节和更深入的内容未过多涉及，有兴趣的读者可以参考书后的相关参考文献。由于编者水平有限，书中难免还存在疏漏，殷切希望广大读者批评指正。
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0011.1 引言0031.2 超导量子混频理论0071.2.1 超导基本理论0071.2.2 约瑟夫森效应0131.2.3 经典混频理论0161.2.4 超导隧道结准粒子隧穿效应0241.2.5 量子混频理论0291.3 超导隧道结单片集成调谐技术0331.3.1 Mattis Bardeen理论及表面阻抗0331.3.2 超导隧道结调谐和阻抗变换电路0351.4 超导隧道结混频器芯片制备工艺0351.5 毫米波和亚毫米波超导隧道结混频器0361.6 小结与展望0412 超导热电子混频器0432.1 引言0452.2 超导热电子混频器基本原理0452.2.1 超导热电子混频器原理0452.2.2 超导热电子混频器特性0502.3 超导热电子混频器热点模型0582.3.1 一维热点模型0582.3.2 非均匀吸收热点模型0622.4 超导热电子混频器物理机制及特性0662.4.1 超导热电子混频器量子噪声0662.4.2 超导热电子混频器温度变化特性0682.4.3 超导热电子混频器犜c变化特性0712.4.4 超导热电子混频器磁场变化特性0742.5 天线耦合超导热电子混频器0772.5.1 1.3THz频段超导热电子混频器0772.5.2 0.1~1.5THz超宽带超导热电子混频器082003 目录2.6 小结与展望0843 超导动态电感探测器0873.1 引言0903.1.1 MKID发展历史及应用领域0903.1.2 MKID芯片常用薄膜特性0913.1.3 MKID的结构设计0923.2 超导动态电感探测器机理及特性0943.2.1 超导动态电感探测器基本原理0943.2.2 超导动态电感探测器特性1023.3 频分复用读出技术1113.3.1 超导探测器读出技术1113.3.2 MKID频分复用读出技术1123.3.3 32像元32像元MKID频分复用读出电路1163.4 32像元32像元超导动态电感探测器阵列1183.4.1 探测器阵列仿真设计1193.4.2 探测器阵列芯片制备1213.4.3 探测器阵列特性1253.5 小结与展望1404 超导相变边缘探测器1414.1 引言1434.2 辐射热探测器基本原理1454.3 超导相变边缘探测器机理及特性1504.3.1 超导相变边缘探测器基本原理1504.3.2 超导相变边缘探测器噪声1554.3.3 超导相变边缘探测器复阻抗1594.4 单像元超导相变边缘探测器1604.4.1 单层膜超导相变边缘探测器1604.4.2 双层膜超导相变边缘探测器1644.4.3 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1664.5.1 超导相变边缘探测器阵列1674.5.2 超导相变边缘探测器阵列读出电路1684.5.3 8像元8像元超导相变边缘探测器阵列1764.5.4 256像元超导相变边缘探测器阵列1804.6 超导相变边缘单光子探测器1824.6.1 超导相变边缘单光子探测器特性1824.6.2 钨超导相变边缘单光子探测器1844.6.3 钛超导相变边缘单光子探测器1864.6.4 钛金超导相变边缘单光子探测器1904.7 小结与展望1915 量子级联激光器与超导热电子混频器集成技术研究1935.1 引言1955.2 太赫兹量子级联激光器基本原理1975.2.1 太赫兹量子级联激光器电子输运特性1985.2.2 太赫兹量子级联激光器谐振腔特性2015.3 太赫兹量子级联激光器辐射特性及调控2035.3.1 太赫兹量子级联激光器波束特性2035.3.2 太赫兹量子级联激光器频率特性2095.3.3 太赫兹量子级联激光器功率特性2125.4 太赫兹量子级联激光器与超导热电子混频器的集成技术2135.4.1 2.5/2.7THz频段高集成度超导接收机2135.4.2 2.9/3.5THz频段基于量子级联激光器的高分辨率频谱仪2165.4.3 30THz频段基于量子级联激光器的高分辨率频谱仪2285.5 小结与展望232参考文献233索引243
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