一篇文章了解太赫茲

太赫茲波段自從19世紀(jì)后期正式命名之后，收到歐美日中等多個(gè)國(guó)家的高度關(guān)注，各國(guó)紛紛將其入選改變世界的技術(shù)評(píng)比之中。尤其是中國(guó)，在當(dāng)今的研究甚至超越了美日，名列世界前茅。自從正式命名之后，涉及太赫茲波段的研究結(jié)果和數(shù)據(jù)卻非常稀少，在此頻段上，既不完全適合用光學(xué)理論來(lái)處理，也不完全適合微波的理論來(lái)研究，另外在很大程度上受限于有效的太赫茲源和探測(cè)器，因此這一波段一度被稱(chēng)為T(mén)erahertzGap“太赫茲鴻溝”。由于太赫茲波在電磁波譜中的特殊位置，其表現(xiàn)出優(yōu)越的特性，太赫茲科學(xué)技術(shù)已成為本世紀(jì)最為重要的科技問(wèn)題之一。太赫茲波太赫茲波是指頻率范圍為0.1~10.0THz的電磁波，波長(zhǎng)范圍為0.03~3.00mm，介于微波頻段與紅外之間，屬于遠(yuǎn)紅外波段，此波段是人們所剩的最后一個(gè)未被開(kāi)發(fā)的波段，兼具二者的優(yōu)點(diǎn)。太赫茲電磁波頻譜太赫茲波的優(yōu)越特性由于太赫茲在電磁波譜中有著特殊的位置，因此，它有一系列的優(yōu)越性，而這優(yōu)越性使其具有很好的應(yīng)用前景。其主要特性如下：

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波粒二相性太赫茲輻射是電磁波，因此它具有電磁波的所有特性。太赫茲波具有干涉、衍射等波動(dòng)特性，在與物質(zhì)相互作用時(shí)，太赫茲波顯示出了粒子特性。

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高透性太赫茲對(duì)許多介電材料和非極性物質(zhì)具有良好的穿透性，可對(duì)不透明物體進(jìn)行透視成像，是X射線(xiàn)成像和超聲波成像技術(shù)的有效互補(bǔ)，可用于安檢或質(zhì)檢過(guò)程中的無(wú)損檢測(cè)。另外，太赫茲在濃煙、沙塵環(huán)境中傳輸損耗很少，是火災(zāi)救護(hù)、沙漠救援、戰(zhàn)場(chǎng)尋敵等復(fù)雜環(huán)境中成像的理想光源。

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安全性相對(duì)于X射線(xiàn)有千電子伏的光子能量，太赫茲輻射的能量只有毫電子伏的數(shù)量級(jí)。它的能量低于各種化學(xué)鍵的鍵能，因此它不會(huì)引起有害的電離反應(yīng)。這點(diǎn)對(duì)旅客身體的安全檢查和對(duì)生物樣品的檢查等應(yīng)用至關(guān)重要。另外，由于水對(duì)太赫茲波有非常強(qiáng)烈的吸收性，太赫茲波不能穿透人體的皮膚。因此，即使強(qiáng)烈的太赫茲輻射，對(duì)人體的影響也只能停留在皮膚表層，而不是像微波可以穿透到人體的內(nèi)部。

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光譜分辨特性許多有機(jī)分子，如生物大分子的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)頻率都在太赫茲波段，所以在太赫茲波段表現(xiàn)出很強(qiáng)的吸收和色散特性。物質(zhì)的太赫茲光譜(發(fā)射、反射和透射光譜)包含豐富的物理和化學(xué)信息，使得它們具有類(lèi)似指紋一樣的唯一特點(diǎn)。因此，太赫茲光譜成像技術(shù)不僅能夠分辨物體的形貌，還能識(shí)別物體的組成成分。為緝毒、反恐、排爆等提供了可靠的相關(guān)理論依據(jù)和探測(cè)技術(shù)。

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很高的時(shí)間和空間相干性太赫茲輻射是由相干電流驅(qū)動(dòng)的偶極子振蕩產(chǎn)生，或是由相干的激光脈沖通過(guò)非線(xiàn)性光學(xué)差額效應(yīng)產(chǎn)生，因此具有很高的時(shí)間相干性和空間相干性。太赫茲技術(shù)太赫茲技術(shù)的研究主要集中在太赫茲輻射、太赫茲探測(cè)、太赫茲通信和太赫茲成像等方面。其中，高效的太赫茲輻射源和探測(cè)技術(shù)是推動(dòng)太赫茲技術(shù)走向應(yīng)用的關(guān)鍵。

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太赫茲輻射技術(shù)在太赫茲諸多技術(shù)的研究中，太赫茲輻射源的研究占據(jù)了很重要的位置。太赫茲輻射的產(chǎn)生主要有3種途徑：基于電子學(xué)技術(shù)的太赫茲輻射源，包括返波管、耿氏振蕩器以及固態(tài)倍頻源等，這是毫米波技術(shù)向高頻方向的擴(kuò)展，這類(lèi)太赫茲輻射源工作于1THz以下，輸出功率通常在數(shù)十微瓦到毫瓦量級(jí)；基于光子學(xué)技術(shù)的太赫茲輻射源，包括量子級(jí)聯(lián)激光器、自由電子激光器和氣體激光器等，這是激光技術(shù)向低頻方向的延伸，這類(lèi)太赫茲輻射源輸出功率較大，具有很好的應(yīng)用潛力。基于太赫茲激光器的光頻梳技術(shù)在高分辨成像和成譜應(yīng)用方面的前景廣闊；基于超快激光技術(shù)的太赫茲輻射源，這類(lèi)技術(shù)是1THz附近向高頻和低頻方向同時(shí)發(fā)展的太赫茲輻射源技術(shù)，這類(lèi)太赫茲輻射源具有脈寬窄、峰值功率高等優(yōu)點(diǎn)，但是存在能量轉(zhuǎn)換效率和平均輸出功率低的問(wèn)題。因此，探索實(shí)現(xiàn)室溫、高輸出功率、連續(xù)可調(diào)諧和小型化的輻射源將大大促進(jìn)太赫茲技術(shù)的研究，也是當(dāng)前太赫茲領(lǐng)域的重要發(fā)展目標(biāo)。

2太赫茲探測(cè)技術(shù)太赫茲探測(cè)技術(shù)也是太赫茲技術(shù)研究的一個(gè)重要組成部分，它涉及到物理學(xué)、光電子學(xué)、材料科學(xué)和半導(dǎo)體技術(shù)等，是一門(mén)綜合性很強(qiáng)的技術(shù)。按照探測(cè)的原理可以分為太赫茲熱探測(cè)器和太赫茲光子型探測(cè)器兩大類(lèi)。太赫茲熱探測(cè)器的工作原理為：探測(cè)材料吸收太赫茲輻射，引起材料溫度、電阻等參數(shù)的改變，再將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。常見(jiàn)的太赫茲熱探測(cè)器主要包括氘化硫酸三甘肽焦熱電探測(cè)器、微機(jī)械硅bolometer探測(cè)器以及鉭酸鋰焦熱電探測(cè)器、超導(dǎo)隧道結(jié)和熱電子混頻器等。在太赫茲光子探測(cè)器中，電磁輻射被材料中的束縛電子或自由電子直接吸收，引起電子分布的變化，進(jìn)而給出電信號(hào)輸出。常見(jiàn)的太赫茲光子探測(cè)器有太赫茲量子阱探測(cè)器、肖特基二極管和高遷移率晶體管等離子體波太赫茲探測(cè)器等。熱探測(cè)器的極限探測(cè)靈敏度與探測(cè)器工作溫度成正比，因此高靈敏太赫茲熱探測(cè)器需要低溫工作。太赫茲光子探測(cè)器通常有高的損傷閾值和大的線(xiàn)性響應(yīng)范圍，探測(cè)靈敏度和響應(yīng)速度間不存在相互制約，可以同時(shí)具備高探測(cè)靈敏度和快速響應(yīng)能力。超導(dǎo)HEB混頻器的顯微放大圖THz量子阱探測(cè)器工作原理示意圖：(a)器件結(jié)構(gòu)；(b)器件能帶結(jié)構(gòu)和工作原理

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太赫茲通信技術(shù)太赫茲通信技術(shù)建立在傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信的基礎(chǔ)之上，由于太赫茲通信系統(tǒng)具有帶寬大、傳輸速率高、保密性好等特點(diǎn)，隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)無(wú)線(xiàn)通信速率的要求不斷提高，利用太赫茲波作為載波進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信成為現(xiàn)代通信技術(shù)發(fā)展的必然。太赫茲通信的應(yīng)用場(chǎng)景包括短距離高速無(wú)線(xiàn)通信、空間通信和復(fù)雜軍事環(huán)境條件下的保密通信等。目前太赫茲通信還處在關(guān)鍵器件的研究開(kāi)發(fā)、太赫茲通信系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)方案的可行性論證以及實(shí)驗(yàn)室的研究與仿真演示階段，亟需研制高性能的太赫茲固態(tài)器件，解決太赫茲信號(hào)的調(diào)制和信號(hào)處理技術(shù)，并制定相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。因此，太赫茲通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更高速率的信息傳輸，搶占帶寬資源，這不僅具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，還具有非常高的戰(zhàn)略意義。THz通信技術(shù)應(yīng)用構(gòu)想圖：太赫茲鏈路應(yīng)用于基站間和設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸

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太赫茲成像技術(shù)由于太赫茲頻段光子能量較低，不會(huì)對(duì)被測(cè)物體造成損壞，并且對(duì)某些非極性材料具有良好的穿透能力，因此利用太赫茲波的穿透性和安全性等優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行成像技術(shù)開(kāi)發(fā)，可對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行成像，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)和安全檢查。根據(jù)成像機(jī)理，太赫茲成像分為被動(dòng)式成像和主動(dòng)式成像：被動(dòng)式成像是通過(guò)太赫茲探測(cè)器對(duì)被測(cè)物體自身的輻射能量進(jìn)行探測(cè),利用不同物質(zhì)輻射強(qiáng)度的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)成像和辨別。被動(dòng)式成像是一種相對(duì)安全的成像方式，但是成像系統(tǒng)對(duì)信號(hào)本身的強(qiáng)度以及接收機(jī)的靈敏度要求較高。太赫茲主動(dòng)式成像主要是通過(guò)太赫茲輻射源發(fā)射一定強(qiáng)度的太赫茲信號(hào)并照射到被測(cè)物體，利用太赫茲探測(cè)器接收被測(cè)物的反射波或者透射波，通過(guò)成像系統(tǒng)對(duì)探測(cè)器探測(cè)到的振幅和相位信息進(jìn)行分析處理，得到被照射物體的圖像。主動(dòng)式成像系統(tǒng)可以對(duì)包括塑料、生物組織等非金屬材料進(jìn)行檢測(cè)，并且可以有效地進(jìn)行三維成像。利用太赫茲多彩成像裝置成功實(shí)現(xiàn)對(duì)隱藏的農(nóng)藥殘留物草酸銅、抗生素甲萘醌和維生素K的無(wú)損鑒別太赫茲技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r自1896年和1897年，開(kāi)始對(duì)太赫茲波段進(jìn)行先期探索，太赫茲技術(shù)已經(jīng)有一百多年的歷史，在這一百多年間太赫茲科學(xué)與技術(shù)得到了初步的發(fā)展，許多重要理論和初期的太赫茲器件相繼問(wèn)世?，F(xiàn)代太赫茲科學(xué)與技術(shù)的真正發(fā)展則是在20世紀(jì)80年代中期，隨著一系列新技術(shù)、新材料的發(fā)展，特別是超快技術(shù)的發(fā)展，使得獲得寬帶穩(wěn)定的脈沖太赫茲源成為一種常規(guī)技術(shù)，太赫茲技術(shù)也從此得以迅速發(fā)展。根據(jù)太赫茲輻射的重大應(yīng)用前景，從20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始美國(guó)國(guó)家基金會(huì)、航天局、國(guó)防部和國(guó)家衛(wèi)生學(xué)會(huì)等政府或軍事部門(mén)，對(duì)太赫茲科學(xué)研究項(xiàng)目持續(xù)提供了較大規(guī)模的資金支持，太赫茲技術(shù)被美國(guó)評(píng)為“改變未來(lái)世界的十大技術(shù)”之一。歐洲國(guó)家除了各國(guó)自己所支持的研究項(xiàng)目以外，還利用歐盟的資金共同組織了跨國(guó)界、多學(xué)科、大型的合作研究項(xiàng)目，如Teravision、THz-Bridge、STARTIGER等。日本政府近年來(lái)對(duì)太赫茲科研的投入大量經(jīng)費(fèi)，并于2005年1月8日將太赫茲科技列為“國(guó)家支柱技術(shù)十大重點(diǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)”之首。目前，世界上約有130多家研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了相關(guān)的光電子材料、太赫茲激光器、太赫茲光譜學(xué)及相關(guān)生物醫(yī)學(xué)成像等研究。不同于微波毫米波和紅外線(xiàn)領(lǐng)域，在太赫茲方面，我國(guó)與國(guó)外差距較小。2005年，科技部、中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家自然科學(xué)基金委聯(lián)合召開(kāi)的以“太赫茲科學(xué)技術(shù)”為主題的科學(xué)會(huì)議，成為我國(guó)太赫茲研究工作的里程碑。至今，國(guó)內(nèi)已有30多家單位從事太赫茲科學(xué)技術(shù)研究工作，正逐漸在國(guó)際太赫茲科學(xué)技術(shù)的研究中占有一席之地。伴隨著材料學(xué)、半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)逐漸擁有了研究太赫茲技術(shù)的基礎(chǔ)條件，科研人員也克服了重重困難，取得了非?？上驳某删?。單從論文發(fā)表的數(shù)量上，我國(guó)已經(jīng)達(dá)到世界較為領(lǐng)先的地位，但是從科研到產(chǎn)業(yè)化的速度和能力，與歐美國(guó)家還存在較大差距。至今除了航天、國(guó)防領(lǐng)域以外，太赫茲技術(shù)的大范圍應(yīng)用并沒(méi)有如期而至，民用消費(fèi)行業(yè)內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用似乎仍然遙遙無(wú)期。唯有北京航天易聯(lián)科技發(fā)展有限公司的太赫茲安檢系統(tǒng)在G20上的出現(xiàn)讓人眼前一亮。遺憾的是，從測(cè)試的具體效果來(lái)看，還是和歐美公司有較大的差距。產(chǎn)業(yè)的投資可以說(shuō)并不比歐美遜色，科研機(jī)構(gòu)幾乎覆蓋了太赫茲領(lǐng)域的方方面面，從基礎(chǔ)材料，單個(gè)探測(cè)器，發(fā)射器組件，到系統(tǒng)級(jí)整合應(yīng)用都有所涉及。同時(shí)國(guó)內(nèi)的的科研單位和研發(fā)企業(yè)的迅猛發(fā)展，讓太赫茲測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域的美國(guó)巨頭VDI（Virginia

Diodes，Inc）也感到了壓力，不顧企業(yè)利潤(rùn)，向國(guó)內(nèi)停售了起絕大部分高性能設(shè)備及系統(tǒng)。太赫茲技術(shù)的應(yīng)用太赫茲波兼具微波和紅外的優(yōu)異特性，同時(shí)包含了豐富的物理和化學(xué)信息，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、雷達(dá)通訊、軍事、航空航天、天文觀(guān)測(cè)等領(lǐng)域。太赫茲科學(xué)技術(shù)是電磁學(xué)、激光物理學(xué)、半導(dǎo)體物理學(xué)等多個(gè)學(xué)科的交叉技術(shù)，并且為這些學(xué)科的研究提供了新的研究方法和手段，在基礎(chǔ)物理學(xué)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。

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太赫茲波成像技術(shù)太赫茲成像技術(shù)相對(duì)于可見(jiàn)光和X射線(xiàn)有非常強(qiáng)的互補(bǔ)特征，其穿透能力介于兩者之間，又不會(huì)對(duì)人體或生物組織造成傷害。太赫茲波在材料研究、安檢、生物和醫(yī)學(xué)中的各種成像應(yīng)用是目前開(kāi)展得最廣泛的研究。太赫茲波成像技術(shù)可以利用相位信息進(jìn)行成像，許多干電介物質(zhì)對(duì)太赫茲波段基本是透明的，但是折射率不同會(huì)引起太赫茲波相位的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同材料的鑒別。例如使用太赫茲波成像技術(shù)在車(chē)站、機(jī)場(chǎng)對(duì)行李或旅客進(jìn)行安檢就非常理想，它可以準(zhǔn)確地檢查刀具、槍支、炸藥及非法藥品毒品等。對(duì)細(xì)胞水平的生物組織進(jìn)行成像，主要是測(cè)量不同組織及其含水量對(duì)太赫茲波的吸收引起能量的變化，例如皮癌即及其它組織表層病變的早期診斷等。通過(guò)太赫茲TDS技術(shù)還可以同時(shí)探測(cè)太赫茲波的相位和振幅變化信息，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料光譜特性的研究，例如測(cè)定摻雜半導(dǎo)體載流子的富集度和遷移率和研究高溫超導(dǎo)材料的特性等。

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太赫茲雷達(dá)和通訊技術(shù)太赫茲輻射具有比微波更短的波長(zhǎng)及更高的時(shí)間精度，依此原理研制的太赫茲雷達(dá)可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行敏感探測(cè)與監(jiān)視，太赫茲雷達(dá)在國(guó)家安全和保護(hù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。THz頻段的波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于通常的微波及毫米波頻段的波長(zhǎng),適合于極大信號(hào)帶寬和極窄天線(xiàn)波束的實(shí)現(xiàn),有利于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的高分辨率成像,且物體運(yùn)動(dòng)引起的多普勒效應(yīng)更為顯著,更利于檢測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特征。這些特點(diǎn)使得THz雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)具有微小目標(biāo)探測(cè)、極高分辨率的目標(biāo)成像識(shí)別能力。雖然THz頻段的大氣衰減比較嚴(yán)重,但在太空環(huán)境下THz頻段的衰減會(huì)大大降低,因此THz探測(cè)系統(tǒng)在太空環(huán)境更容易實(shí)現(xiàn)高分辨目標(biāo)探測(cè)。太赫茲通信是指用太赫茲波作為信息載體進(jìn)行的空間通信。因?yàn)樘掌澆ń橛谖⒉ㄅc遠(yuǎn)紅外光之間，處于電子學(xué)向光子學(xué)的過(guò)渡領(lǐng)域，所以它集成了微波通信與光通信的優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于微波通信而言：太赫茲通信傳輸?shù)娜萘扛蟆Ｌ掌澆ǖ念l段在108~1013Hz之間，可提供高達(dá)10GB/s的無(wú)線(xiàn)傳輸速率；

太赫茲波具有更好的保密性及抗干擾能力；

太赫茲波束更窄、方向性更好、可以探測(cè)更小的目標(biāo)以及更精確地定位；由于太赫茲波波長(zhǎng)相對(duì)更短，在完成同樣功能的情況下，天線(xiàn)的尺寸可以做得更小，其他的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也可以做得更加簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)。相對(duì)于光通信而言；用光子能量約為可見(jiàn)光的1/40的THz波作為信息載體，能量效率更高；2）THz波具有更好的穿透沙塵煙霧的能力，它可以實(shí)現(xiàn)全天候的工作。太赫茲波在通過(guò)大氣時(shí)，由于水蒸氣而導(dǎo)致的強(qiáng)吸收、低效率以及在目前可選的THz源中相對(duì)低發(fā)射功率會(huì)給太赫茲通信帶來(lái)明顯的不利影響，但是，隨著高功率的太赫茲光源、高靈敏度的探測(cè)技術(shù)及高穩(wěn)定性系統(tǒng)的日益突破，占有很多優(yōu)勢(shì)的太赫茲通信必將指日可待。THz通信特別適合作衛(wèi)星間、星地間及局域網(wǎng)的寬帶移動(dòng)通訊。將來(lái)利用太赫茲無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)下載一部DVD電影幾乎是“彈指一揮間”，幾秒鐘即可完成。太赫茲與可見(jiàn)光和紅外線(xiàn)相比，它同時(shí)具有極高的方向性及較強(qiáng)的云霧穿透能力，使得太赫茲通信可以以極高的帶寬在戰(zhàn)場(chǎng)中進(jìn)行定向、高保密甚至明碼軍事通信。

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太赫茲波在航天材料領(lǐng)域的應(yīng)用在材料鑒定方面，大多數(shù)分子均有相應(yīng)的太赫茲波段的“指紋”特征譜，研究材料在這一波段的光譜對(duì)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)以及揭示新的物質(zhì)有著重要的意義。太赫茲技術(shù)非常適合于用來(lái)分析分子，可以通過(guò)太赫茲波激發(fā)并探測(cè)“分子振動(dòng)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)”來(lái)進(jìn)行光譜分析。它能有效地激發(fā)分子進(jìn)入各種共振模式，使分子振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。在這一過(guò)程中，分子吸收能量，在光譜儀中生成某段頻率的吸收譜線(xiàn)，然后就可以據(jù)此判斷出其中含有那些分子。因此，可以使用太赫茲分析他國(guó)衛(wèi)星的組成、結(jié)構(gòu)甚至材料。由于太赫茲波有較強(qiáng)的穿透率，并且其光子能量低，只有幾個(gè)毫電子伏特，穿透時(shí)不易發(fā)生電離，因而可用于安全的無(wú)損檢測(cè)。尤其是對(duì)一些塑料泡沫等絕緣材料內(nèi)部的缺陷和裂紋等進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)和成像，在戰(zhàn)略導(dǎo)彈及航空、航天結(jié)