太赫兹波

太赫兹检测技术
1 太赫兹波简介
电磁波（又称电磁辐射）是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效的传递能量和动量。

电磁辐射可以按照频率分类，从低频率到高频率，包括有无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线等等。

太赫兹波(Terahert或称太赫兹辐射、T-射线、亚毫米波、远红外，简称THz) 通常指频率在0.1~10THz (1THz=1012Hz)范围内的电磁辐射。

若以应用频率范围的载体为坐标，则太赫兹波位于“雷达”与“人”之间。

是电磁波谱上由电子学向光子学过渡的特殊区域，也是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区域。

图1 电磁波谱图
Fig1 Electromagnetic spectrum
THz波在无线电物理领域称为亚毫米波，在光学领域则习惯称之为远红外辐射；从能量辐射上看，其大小在电子和光子之间。

在电磁频谱上，THz波段两侧的红外和微波技术已经很成熟，但是THz技术还不完善。

究其原因是因为此频段既不完全适和用光学理论来处理，也不完全适合用微波理论来研究，缺乏有效的产生和检测THz波的手段，从而形成了所说的“THz空隙”。

2 THz辐射研究的发展历史与现状
上世纪九十年代以后,超快激光技术的迅速发展,为太赫兹脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源。

太赫兹波段各种技术的研究才蓬勃发展起来。

与此同时，半导体物理的研究和材料加工工艺的改进也日趋完善，人们在选择与太赫兹辐射研究相关的半导体材料过程中发现半导体材料有着尤为重要的研究价值，且它们都是常用的半导体材料；同时通过掺杂工艺，改善半导体材料的性质，如载流子迁移率、寿命和阻抗都可以控制调整以适应光电器件的要求，这些半导体制作工艺上的发展促进了相关科学技术的发展。

2.1 THz辐射的特点
THz技术之所以引起人们广泛的关注，主要是由于太赫兹电磁波独有的特点，各种物质
在这一频段的独特响应及其在特定领域中的不可替代性[1]。

与其他波段的电磁波相比，脉冲宽带THz电磁波具有如下特点：
（1）高透射性：太赫兹对许多介电材料和非极性物质具有良好的穿透性,可对不透明物体进行透视成像,是X射线成像和超声波成像技术的有效互补,可用于安检或质检过程中的无损检测。

（2）低能量性：太赫兹光子能量为4.1meV(毫电子伏特),只是X射线光子能量的108分之一。

太赫兹辐射不会导致光致电离而破坏被检物质,非常适用于针对人体或其他生物样品的活体检查。

进而能方便地提取样品的折射率和吸收系数等信息。

（3）吸水性：水对太赫兹辐射有极强的吸收性,因为肿瘤组织中水分含量与正常组织明显不同，所以可通过分析组织中的水分含量来确定肿瘤的位置。

（4）瞬态性：太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒数量级，可以方便地对各种材料包括液体、气体、半导体、高温超导体、铁磁体等进行时间分辨光谱的研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰。

（5）相干性：太赫兹的相干性源于其相干产生机制。

太赫兹相干测量技术能够直接测量电场的振幅和相位，从而方便地提取样品的折射率、吸收系数、消光系数、介电常数等光学参数。

（6）指纹光谱：太赫兹波段包含了丰富的物理和化学信息。

大多数极性分子和生物大分子的振动和转能级跃迁都处在太赫兹波段,所以根据这些指纹谱,太赫兹光谱成像技术能够分辨物体的形貌,分析物体的物理化学性质,为缉毒、反恐、排爆等提供相关的理论依据和探测技术。

2.2太赫兹的研究现状
THz波现象其实早已为人们所发现，然而早期因缺乏有效的THz波产生和探测技术，使得相关研究进展极其缓慢[2]。

进入20世纪80年代后，激光技术的迅速发展为研究有效THz 波的产生和探测技术孕育了基础。

据文献报道，1983年D.H.Anston[3]首次利用光学技术，通过超短激光脉冲激发光电导天线产生了相干脉冲宽带THz辐射。

鉴于D.H.Auston做出的巨大贡献，光导天线后来常被称为“Auston switeh”。

紧接着，D.Grischkowsky和D.H.Auston 等又开发出了基于超短激光脉冲激发光电导天线的THz时域光谱探测技术。

这种基于基于超短激光脉冲激发光电导天线的THz波产生和探测技术至今仍然是实验设备应用的主流。

1990-1992年，X.C.zhang和D.H.Auston[4]等又提出了原理上完全不同的THz波产生与探测方法一基于瞬态电光取样及其逆过程的THz产生与探测技术。

至此，THz波的产生与探测技术虽然还不成熟，但已经能够用于相关仪器的制造与生产，为科研人员研究THz波与物质相互作用提供了必备的实验手段。

太赫兹科学和技术有极大的应用潜力，但目前还受太赫兹辐射源的限制，比如：产生的太赫兹辐射强度不高、带宽不够宽、能量转化效率低等因素，所以太赫兹领域的发展还需更大的努力。

3 太赫兹的产生和检测
3.1太赫兹波的产生
THz波的产生分为连续波的THz产生和THz脉冲的产生。

产生连续THz波的方法主要有4种：(1)通过FTIR(Fourier Transform Infrared Spectrometer)使用热辐射源产生，如汞灯和SiC 棒；(2)是通过非线性光混频产生；(3)是通过电子振荡辐射产生，如反波管、耿式振荡器及肖特基二极管产生；(4)是通过气体激光器、半导体激光器、自由电子激光器等THz激光器直接产生。

目前产生THz脉冲常用的方法有光导天线法、光整流法、THz参量振荡器法、空气等离子体法等，其中空气等离子体能产生相对较高强度的THz波而备受关注，此外，还可以用半导体表面产生THz波。

3.1.1 光导天线(PCA)产生THz脉冲
光导天线辐射机制是利用超快激光脉冲泵浦光导材料，在其内部产生电子空穴对，这些载流子在外加偏置电场作用下，做加速运动形成瞬态光电流，从而辐射出低频THz脉冲。

PCA 由两个距离在um量级电极组成，此种THz辐射系统的性能取决于3个因素：光导体、天线的几何结构和泵浦激光的脉冲宽度，如图所示。

光导是产生THz辐射的关键部件，对于性能良好的光导体来说，它应该具有载流子寿命极短，载流子迁移率高和介质耐击穿强度大等特点。

目前应用于THz技术中最多的光导体材料是si和低温生长的GaAs(LT．GaAs)材料。

图2 光电导天线图
Fig2 Schematic diagram of photoconductive antenna
3.1.2 光整流产生THz脉冲
光整流方法是利用电光晶体作为非线性介质，使超快激光通过非线性节点材料进行二阶非线性光学过程或高阶非线性光学过程产生THz脉冲。

光整流的物理过程是一个瞬间完成的过程，而产生的THz辐射强度与非线性介质的极化电场强度的低频部分对时间的二阶偏导数成正比。

光整流的关键问题是位相匹配，它可以放大激光和THz脉冲在非线性介质中的相互作用，并且能影响光整流的产生效果。

3.1．3 空气等离子体产生THz脉冲
Cook和Hochstrasser等人最早发现将频率为60的飞秒脉冲和频率为2o9的倍频光聚焦在空气中，将空气电离可产生THz[5]。

该方法与之前的在晶体中进行光整流产生THz波相比，不存在损伤阈值的问题，即对激光的强度没有限制。

空气中产生THz波有3种结构，如图所示。

图(a)是将波长为800 RE或400nm，脉宽为100fs的激光脉冲聚焦到空气中产生等离子体，从而辐射THz波；而图(b)较之于图(a)则是在聚焦透镜后添加了一块BBO晶体用于倍频；图(c)是利用分色镜将波长为800nm和400nm(基频波与二次谐波)的两束光混合在一起，通过干涉相长或干涉相消对THz辐射进行相干控制。

图3 空气产生Thz结构图
Fig3 Terahertz pulse generated in air plasma
3.1．4 参量振荡器产生频率可调的THz波
光学参量振荡是产生THz辐射的另一机制，是基于光学参量效应的一种技术。

THz参量源通常有THz参量发生器和THz参量振荡器两种，二者之问的区别在于TPO有谐振腔，而TPG没有这样的选频结构。

THz参量源具有很高的非线性转换效率，其结构简单、易于小型化、工作可靠、便于操作、相干性好，并且能够实现单频、宽带、可调谐、可在室温下稳定运转的全固态THz辐射源。

2008年，Koji Suizu[6]等人利用KTP-OPO(双波长输出KTP光学参量振荡器)产生的两束波长相差不大的平行泵浦光在铌酸锂晶体中差频产生出THz波，在THz波的输出上利用了切伦科夫辐射的原理，如图所示。

图4 参量振荡产生频率可调的THz波装置图
Fig4 Frequency-tunable THz wave generated by parametric generator 众所周知，当晶体中极化波的速度大于辐射出的射线波的速度时就可以说其满足了切伦科夫的相位匹配条件。

在铌酸锂晶体中，由两束泵浦光差频产生的THz波的波速(发出的瞬间具有泵浦光的速度)大于由THz引起的介质极化产生的次波辐射的波速(等于THz的速度)，满足了切伦科夫辐射的相位匹配条件，从而以一定角度辐射出THz波。

同时，因为聚乙烯膜很薄，可以和THz波的波长相比，所以可在聚乙烯膜上使用一组硅棱镜阵列来耦合THz波的输出，然后用硅测辐射热计来探测产生的连续宽频范围的THz波。

3.1.5 几种发射源的比较
目前，THz波发射源可以大致分为以下几类：非相干的热辐射源，电子学的高频微波辐射源，THz激光器，光电子辐射源，这些THz波光源都有自己的特点及局限性[7]。

自由电子激光和气体激光可以发射相对较强的THz辐射，并可以覆盖较宽的频率范围，但它们的体积较大，功耗较高；量子级联激光器可以输出10mW数量级的THz辐射，但它需要工作在低温环境下，而且目前的量子级联激光器只能工作在THz的高频波段，第一台工作在THz波段的量子级联激光器的标准发射波长为4.4THz[8]。

电子学方法可以获得较高的输出功率，但只能发射低频THz波。

脉冲的THz发射源几乎覆盖了整个THz波段，且常温下可获得较高的信噪比，然而需要昂贵的飞秒脉冲激光器，且平均功率较低。

3.2太赫兹波的检测
3.2.1 电光取样
电光取样测量技术基于线性电光效应：当THz脉冲通过电光晶体时，会发生电光效应，
从而影响探测(取样)脉冲在晶体中的传播。

当探测脉冲和THz脉冲同时通过电光晶体时，THz 脉冲电场会导致晶体的折射率发生各向异性的改变，致使探测脉冲的偏振态发生变化。

调整探测脉冲和THz脉冲之问的时间延迟，检测探测光在晶体中发生的偏振变化就可以得到THz 脉冲电场的时域波形。

自由空间电光取样THz探测原理如图所示。

图中的激光器为飞秒激光器，它所发出的飞秒激光脉冲经分束器之后，分为泵浦脉冲和探测脉冲。

泵浦脉冲用来激发THz发射极使其产生THz脉冲，然后该脉冲被离轴抛物面镜准直聚焦，经半透镜照射到电光晶体之上，由此改变电光晶体的折射率椭球。

当线偏振的探测脉冲在晶体内与THz光束共线传播时，其相位会被调制。

图5 电光探测原理图
Fig5 Schematic diagram of electro-optical sampling
3.2.2空气探测
2006年，戴建明和张希成等人。

根据THz辐射的产生和探测是互逆过程这一理论，利用三阶非线性性质实现了空气等离子体探测THz电场。

图是利用空气产生并探测THz的装置图。

在探测THz辐射时，将800 nm的探测激光与THz脉冲同时聚焦在空气中，在四波混频的过程中，THz辐射与800 nm激光可以产生400 nm波长的光E signal 2w，其中E signal 2w是THz波场诱导产生二次谐波信号的电场分量，可见二倍频光的电场强度正比于THz在特定延迟时刻的电场强度。

图6 空气等离子体产生于探测图
Fig6 Generation and detection of THz in air plasma
3.2.3几种THz探测器的比较
THz波的探测器可以分为：光学和光电子学探测器(光电导天线和电光取样)和量热式探测器。

光学和电子学探测器应用在脉冲THz技术中，可以摒除环境噪声的影响，获得高信噪
比的测量结果，而且可以进行相干测量；量热式探测器可以探测各种光源发射的THz辐射，而且可以测量各种光谱范围的辐射；但是与差分测量相比，他们的探测灵敏度较低，而且容易受到环境辐射的影响，是非相干测量。

4太赫兹的应用
太赫兹辐射所具有的独特性质，使它在天体物理学、等离子体物理与工程、材料科学与工程、生物医学工程、环境科学工程、光谱与成像技术、信息科学技术等领域有着广阔而重要的应用。

4.1太赫兹技术在生物医学中的应用
由于很多生物大分子及DNA分子的旋转及振动能级多处于太赫兹波段，生物体对太赫兹波具有独特的响应，所以太赫兹辐射可用于疾病诊断、生物体的探测及癌细胞的表皮成像。

计算机辅助层析成像技术是在x射线领域首先发展并应用起来的三维解析成像技术，太赫兹波也可以应用于计算机辅助层析成像。

x射线层析成像只能反映物体的吸收率的分布，而太赫兹层析成像测量则记录了整个太赫兹脉冲的时间波形信息，因此可以根据不同的要求选取不同的探测物理量，如电场强度、峰值时问甚至材料的光谱特征。

太赫兹层析成像对物体的反映是多方面的，不仅可以获得物体的吸收率的分布，还可以得到物体的折射率和材料的三维分布[9]。

太赫兹波成像有2个固有的限制：其一，它不能穿透金属，金属表面几乎可以100％的反射太赫兹辐射，因而太赫兹波不能探测金属容器内的物。

4.2安全监测和质量控制
太赫兹辐射也可用于污染物检测、生物和化学物质的探测，从而可用于食品保鲜和食品加工过程的监控。

太赫兹波对物体的穿透性和安全性可用于非接触、无损伤地探测特殊物质，如隐藏的炸药、毒品、武器等[10](如图所示)。

由于太赫兹波的强穿透能力和低辐射性(对人体完全无害)，太赫兹成像就可以完全替代x射线透视、CT扫描、材料无损监测以及要害部门的安检和生化武器检查等。

图7 太赫兹波检测
Fig7 Superhuman Vision Using Terahertz Waves
4．3 无损探伤
太赫兹波对物体的穿透性和安全性可以用于对建筑物进行无损探伤。

太赫兹波对物质的穿透性质可以通过太赫兹时域光谱来测量。

例如，泡沫材料是航天飞机上常用的材料，其对太赫兹波的吸收和折射率非常低，因此太赫兹波可以穿透几英寸厚的泡沫材料，并探测到深
埋在其中的缺陷。

目前，太赫兹成像已被美国宇航局选为探测航天飞机中缺陷的关键技术之一[11]。

4．4 天文和大气研究
实际上，天文学是最早使用太赫兹波的。

天体辐射到地球的电磁波人部分处于亚毫米波段，也就是太赫兹波段。

而且太赫兹波在太空环境巾被吸收的较少，可以传播很远的距离。

天体和星际辐射包含了星际形成过程和星际介质化学性质的丰富信息，而太赫兹波段的观测要比其它波段有更低的背景噪声。

随着太赫兹技术的发展，天文学家和天体物理学家对太赫兹波段天文观测的兴趣日益增加。

目前世界上已经建造了多台太赫兹波段的射电望远镜，用于研究银河系星际云巾复杂的物理状态及结构，如德国马·普射电所和美国亚利桑那州天文台合作研制了一台lOm直径的亚毫米波射电望远镜。

2002年，Bourdi n等人对通过星际辐射的分解来观察星系的远红外到微波辐射。

2003年，Eyal等人在南极阿蒙森海工作站的1．7m直径的亚毫米波望远镜上用1.25Thz-1.5Thz波段的太赫兹探测器(TREND)进行了天文观测，由于南极干燥稀薄的火气层，这个波段将是地基望远镜可以达到最好观测效果的波段。

此外，大气中大量分子如水、一氧化碳、氮、氧及微量分子可以在太赫兹频段进行探测，因而太赫兹技术可以应用在大气环境保护监控、臭氧层监视等领域。

4．5 近距离无线通信和网络
太赫兹波段具有频率高、带宽宽、信道数多等特点，特别适合用于局域网以及宽带移动通信。

用太赫兹通信可以获得10 Gbps的无线传输速度，这比目前的超宽带技术快几百甚至上千倍，是将来用于多媒体传输大容量无线通信的希望。

太赫兹无线通信能提供Gbps甚至更大容量的多重数据信道，数据带宽将会超过现有无线协议，如IEEE820，1lb等。

有专家预言，在不远的将来无线太赫兹网络将取代无线局域网或蓝牙技术，而成为短距离无线通信的主要流技术。

5总结与展望
THz科学技术作为一门前沿的新兴交叉学科，对其他科学如物理、化学、天文学、生物医学、材料科学、环境科学等均有重大的影响，相关应用需求迫切，发展迅猛。

在当今基础研究、开发研究和产业化发展几乎同步进行的相互融合、相互促进的科技快速发展时代，我们要有高度的紧迫感和责任感，努力推动我国乃至世界THz科学技术及其应用更进一步的发展。

参考文献
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