【2019年整理】太赫兹技术发展展望

太赫兹技术发展展望

1 太赫兹波简介

1.1 太赫兹波发现

按传统的分类形式，电磁波分成无线电波、红外线、可见光、紫外线、α射线、γ射线等。随着对电磁波的深入研究，人们发现在电磁波谱中还有一个很特

殊的位置，如图 1.1所示。

这就是太赫兹波即THz波（太赫兹波）或称为THz射线（太赫兹射线），是从上个世纪80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科学家们将统称为远

红外射线。太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长大概在0.03到3mm范围，介于微波与红外之间。实际上，早在一百年前，就有科学工作者

涉及过这一波段。在1896年和1897年，Rubens和Nichols就涉及到这一波段，红外光谱到达9um（0.009mm）和20um（0.02mm），之后又有到达50um的记载。之后的近百年时间，远红外技术取得了许多成果，并且已经产业化。但是涉及太赫兹波段的研究结果和数据非常少，主要是受到有效太赫兹产生源和灵敏探测器

的限制，因此这一波段也被称为THz间隙。随着80年代一系列新技术、新材料的发展，特别是超快技术的发展，使得获得宽带稳定的脉冲THz源成为一种准常规技术，THz技术得以迅速发展，并在实际范围内掀起一股THz研究热潮。

1.2 太赫兹波的特点

目前，国际上对太赫兹辐射已达成如下共识，即太赫兹是一种新的、有很多

独特优点的辐射源；太赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿领域，给技术创新、国民经济发展和国家安全提供了一个非常诱人的机遇。

（1）量子能量和黑体温度很低：

Wave number Wavelength Frequency Energy Blackbody Temp.

1cm-110mm30GHz120μeV 1.5K

10cm-11mm300GHz 1.2meV15K

33cm-1300μm1THz 4.1meV48K

100cm-1100μm3THz12meV140K

200cm-150μm6THz25meV290K

670cm-115μm20THz83meV960K

（2）许多生物大分子，如有机分子的振动和旋转频率都在THz波段，所以在THz波段表现出很强的吸收和谐振。

（3）THz辐射能以很小的衰减穿透物质如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等，因此可用其探测低浓度极化气体，适用于控制污染。THz辐射可无损穿透墙壁、布料，使得其能在某些特殊领域发挥作用。

（4）THz的时域频谱信噪比很高，这使得THz非常适用于成像应用

（5）带宽很宽（0.1—10T）Hz。

（6）很短的THz脉冲却有着非常宽的带宽和不同寻常的特点。

在我国未来的太空研究和探月计划中, THz波也可以提供包括星球表面特性和极区辐射特性的诸多重要信息。综上所述, THz科学不仅是科学技术发展中的重要基础问题,又是国家新一代信息产业、国家安全以及基础科学发展的重

大需求,对国民经济以及国防建设具有重大的意义。与此相适应,世界各国都对THz波的研究给予极大的关注,并部署了多个重大的国家级以及国际合作研究

计划,取得了一些突破性的成果,有些已具有实用价值。另一方面,国内在THz 研究的理论和实验方面也取得了一些重要成果,在国际上产生了一定的影响,为我国THz技术的研究和发展打下了扎实的基础。

2 太赫兹波研究现状

2.1 国外的THz研究现状

由于THz所处的特殊电磁波谱的位置，它有很多优越的特性，有非常重要

的学术和应用价值（有的已处于实用），使得全世界各国都给予极大的关注。美国、欧州和日本尤为重视。

1）在美国包括常青藤大学在内有数十所大学都在从事THz的研究工作，特别是美国重要的国家实验室，如

LLNL，LBNL，SLAC，JPL，BNL，NRL，ALS，ORNL等都在开展THz 科学技术的研究工作。美国国家基金会(NSF)、国家航天局(NASA)、能源部(DOE)和国家卫生学会(NIH)等从90年代中期开始对THz科技研究进行大规模的投入。

2）英国的Rutherford国家实验室，剑桥大学、里兹大学、Strathclyde等十几所大学，德国的KFZ，BESSY，Karlsruhe，Cohn，Hamburg及若干所大学，都积极开展THz研究工作。欧洲国家还利用欧盟的资金组织了跨国家的多学科

参加的大型合作研究项目。在俄国国家科学院专门设立了一个THz研究计划，IAP，IGP及一些大学也都在积极开展THz研究工作。

3）在亚洲国家和区域，韩国国立汉城大学、浦项科技大学、国立新加坡大学、台湾大学、台湾清华大学等都积极开展THz研究工作，并发表了不少有分量的论文。

4）日本于2005年1月8日，公布了日本国十年科技战略规划，提出十项重大关键技术，将THz列为首位。东京大学、京都大学、大阪大学、东北大学、

福井大学以及SLLSC，NTT Advanced Technology Corporation，etc．等公司都大力开展THz的研究与开发工作。

可见，目前已经在全世界范围内形成了一个THz技术研究高潮。

2.2 我国的THz研究现状

目前我国的THz研究也在国内, THz科学技术受到政府机构和各科研院校的高度关注。国家科技部、国家自然科学基金委员会等都给予了一定的支持。

特别是2005年以太赫兹科学技术为主题的第270次香山科学会议的召开,大大推动了我国THz科学技术的研究。针对国际上的研究瓶颈问题,我国在THz源、探测、成像应用以及传输等领域的理论和实验研究上形成了自己的研究特色,并取得了一些重要成果。

中科院物理所于20世纪90年代初期就建立了国内第一台时域光谱测量系统,是国际上较早开展THz研究的单位之一。近年来在超强THz脉冲的产生、THz脉冲的传播和THz波在瞬态光谱分析中的应用等方面开展了卓有成效的研

究工作。在THz脉冲产生方面,他们发现,利用飞秒激光脉冲和等离子体相互作

用中的激光脉冲静电尾波场,通过模式转换可以得到兆瓦级高功率的THz辐射[ Phys . Rev .Lett . , 94, 095003 (2005) ]。这种强THz的实现,将使人们对THz 光谱的研究进入非线性领域。他们还发现超短强激光脉冲在大气中传播时,从其形成的等离子体通道内也可以产生THz辐射。

中科院上海微系统与信息技术研究所和上海交通大学自1996年起在国内较早地开展了THz物理与器件方面的研究工作。在国际上率先成功发展了THz 辐照下的半导体输运平衡方程方法,深入细致地研究了THz辐射与半导体微结构的相互作用规律,对THz2 QCL的基本科学问题进行了深入细致的研究,并与加拿大科学家合作研制了THz2 QCL原型器件。目前在国内实验室已成功完成THz2 QCL的理论设计和性能模拟,以及器件的材料生长工作,采用自行生长的THz2 QCL材料,在国外流片上制备的THz2 QCL器件已经实现激射,其频率为3.4THz。进一步的研究目标是拓展辐射频率范围、提高工作温度和输出功率。

该研究既属于学术前沿,又属于信息领域的重大需求。

南开大学现代光学研究所通过多年的学科建设,已经建立了“飞秒激光创新研究平台”和“光纤光学研究平台”,在这两个研究领域具有良好的研究

基础和实验条件。他们并基于飞秒激光创新研究平台,在国际上率先开展了飞秒激光烧蚀推进、飞秒激光诱导空气电离显微成像以及超短脉冲激光在微细加工

过程中热与非热两种不同作用的探索性实验研究。在光纤激光器研制方面,南开大学现代光学研究所是国内最早从事大功率双包层光纤光子器件及其关键技术

研究的单位,已经出色完成了国家973计划项目、国家自然科学基金重点项目

以及国家863计划项目各1项。这些研究基础和设备条件为进一步开展THz