太赫兹技术及其在研究领域的应用

太赫兹技术及其在研究领域的应用
摘要：简要介绍了太赫兹技术的国内外发展状况，由于太赫兹波在电磁波谱中的特殊位置，其表现出优越的特性，太赫兹科学技术已成为本世纪最为重要的科技问题之一。

通过对太赫兹基础研究领域的分析，阐明了太赫兹波的作用机理及相关器件的发展。

太赫兹技术在成像、通讯、航空及生物医药等领域有着广阔的应用前景。

随着技术理论的不断发展及成熟，太赫兹技术必将对国民经济和国家安全产生重大影响。

关键词：太赫兹；太赫兹技术；基础研究；太赫兹应用
Terahertz technology and its applications in research
field
Abstract：The development of Terahertz technology at home and abroad is briefly summarized, and the special position of THz wave in electromagnetic spectrum, it shows the superior characteristic. So Terahertz Science and technology has become one of the most important scientific and technological problems in this century. Through the analysis of the THz basic research field, the mechanism of THz wave and the development of the related devices are elucidated. THz technology has broad application in imaging, communications, aviation and biomedical and other fields. With the development of technology theory, THz technology will have a great impact on national economy and national security.
Key words：Terahertz; Terahertz technology; basic research; Terahertz application
0 引言
随着现代科学技术的迅猛发展、各国之间科技竞争的加剧及社会信息化进程的不断加快，高新技术越来越成为各个国家之间竞争力水平的标志。

太赫兹技术由于其一系列的优点及其广泛的应用价值成为世界各国研究机构关注的焦点，太赫兹技术也成为本世纪重大新兴科学技术领域之一[1]。

太赫兹波是指频率范围为0.1~10.0THz的电磁波，波长范围为0.03~3.00mm，介于微波频段与红外之间，兼具二者的优点[2]（如图1所示）。

它的长波段与毫米波(亚毫米波)相重合，其发主要依靠电子学科学技术；在短波段与红外线相重合，主要依靠光子学科技术发展，可见太赫兹波是宏观电子学向微观电子学过渡的频段，在电子波频谱中占有很特殊的位置，表现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性能。

但长期以来由于缺乏有效的太赫兹辐射产生和检测方法，导致太赫兹频段的电磁波未得到充分的研究和应用，被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙(THz gap)”。

从过去二十多年前开始，随着太赫兹辐射源和太赫兹探测器的相继问世，太赫兹技术的研究和应用才有了较快发展，在医疗诊断、雷达通讯、物体成像、宽带移动通信、军事航空等领域显示了重大的科学价值及实用前景，与此同时，其他方面的工程应用潜力也受到关注。

图1 太赫兹波段在电磁波谱中位置示意图
1 太赫兹技术的国内外发展状况
自1896年和1897年，Rubens和Nichols开始对太赫兹波段进行先期探索，太赫兹技术已经有一百多年的历史，在这一百多年间太赫兹科学与技术得到了初步的发展，许多重要理论和初期的太赫兹器件相继问世[3]。

现代太赫兹科学与技术的真正发展则是在20世纪80年代中期，随着一系列新技术、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太赫兹源成为一种常规技术，太赫兹技术也从此得以迅速发展。

根据太赫兹辐射的重大应用前景，从20世纪90年代中期开始美国国家基金会、航天局、国防部和国家卫生学会等政府或军事部门，对太赫兹科学研究项目持续提供了较大规模的资金支持，太赫兹技术被美国评为“改变未来世界的十大技术”之一。

欧洲国家除了各国自己所支持的研究项目以外，还利用欧盟的资金共同组织了跨国界、多学科、大型的合作研究项目，如Teravision、THz-Bridge、STARTIGER等。

日本政府近年来对太赫兹科研的投入经费每年都超过一千万美元，并于2005年1月8日将太赫兹科技列为“国家支柱技术十大重点战略目标”之首。

目前，世界上约有130多家研究机构开展了相关的光电子材料、太赫兹激光器、太赫兹光谱学及相关生物医学成像等研究。

2005 年，科技部、中国科学院、国家自然科学基金委联合召开的以“太赫兹科学技术”为主题的科学会议，成为我国太赫兹研究工作的里程碑。

至今，国内已有30 多家单位从事太赫兹科学技术研究工作，正逐渐在国际太赫兹科学技术的研究中占有一席之地。

2 太赫兹波的优越特性
由于太赫兹在电磁波谱中有着特殊的位置，因此，它有一系列的优越性，而这优越性使其具有很好的应用前景。

其主要特性如下：
1) 波粒二相性：太赫兹辐射是电磁波，因此它具有电磁波的所有特性。

太赫兹波具有干涉、衍射等波动特性，在与物质相互作用时，太赫兹波显示出了粒子特性。

2) 高透性：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[4]。

另外，太赫兹在浓烟、沙尘环境中传输损耗很少，是火灾救护、沙漠救援、战场寻敌等复杂环境中成像的理想光源。

3) 安全性：相对于X 射线有千电子伏的光子能量，太赫兹辐射的能量只有毫电子伏的数量级。

它的能量低于各种化学键的键能，因此它不会引起有害的电离反应。

这点对旅客身体的安全检查和对生物样品的检查等应用至关重要。

另外，由于水对太赫兹波有非常强烈
的吸收性，太赫兹波不能穿透人体的皮肤。

因此，即使强烈的太赫兹辐射，对人体的影响也只能停留在皮肤表层，而不是像微波可以穿透到人体的内部[5]。

4) 光谱分辨特性：许多有机分子，如生物大分子的振动和旋转频率都在太赫兹波段，所以在太赫兹波段表现出很强的吸收和色散特性。

物质的太赫兹光谱(发射、反射和透射光谱)包含丰富的物理和化学信息，使得它们具有类似指纹一样的唯一特点。

因此，太赫兹光谱成像技术不仅能够分辨物体的形貌，还能识别物体的组成成分。

为缉毒、反恐、排爆等提供了可靠的相关理论依据和探测技术。

5) 很高的时间和空间相干性：太赫兹辐射是由相干电流驱动的偶极子振荡产生，或是由相干的激光脉冲通过非线性光学差额效应产生，因此具有很高的时间相干性和空间相干性。

3 太赫兹的基础研究
太赫兹相关的科学研究发展已二十多年了，在此期间太赫兹源、探测器和相关器件不断的被发明创造，但仍处于起步阶段，对其基础研究还有待深入。

太赫兹的基础研究大致可分为太赫兹的产生、传输、探测及太赫兹辐射与物质的相互作用四个领域。

3.1 太赫兹的产生
太赫兹的产生除了传统的太赫兹非相干的热辐射源（高压汞弧灯和碳硅棒）外，还有基于光学方法的太赫兹源、基于电子学方法的太赫兹源，以及基于等离子体方法的太赫兹源。

基于光学方法的太赫兹源主要有基于半导体瞬态电流的太赫兹源、基于非线性效应的太赫兹源和太赫兹气体激光器。

其中，瞬态电流太赫兹源包括光电导机制和半导体表面产生机制[6]；而基于非线性效应的太赫兹源包括光整流机制，光混频机制和参量源。

基于电子学方法的太赫兹源通常可产生窄带连续太赫兹波，是比较容易实用化的太赫兹源。

基于该方法的太赫兹源也可大致分为三类：太赫兹真空微电子器件、太赫兹相对论性器件和太赫兹半导体激光器。

太赫兹真空微电子器件大多是基于微波器件结合先进的微细加工技术（如LIGA技术，MEMS技术），利用微波管的分布作用原理产生太赫兹波的微型真空电子器件。

太赫兹相对论性器件主要利用相对论，即电子的运动速度达到或接近光速，由电子的步辐射产生高功率的太赫兹辐射。

太赫兹半导体激光器常见的有耿氏二极管、P-Ge激光器和量子级联激光器等。

基于等离子体方法的太赫兹源同样也可分为三类:空气中光丝产生太赫兹、激光尾场产生太赫兹和表面等离子产生太赫兹。

空气中光丝产生太赫兹的技术可使太赫兹完全摆脱距离的限制，科学家推测可在几公里以外产生出太赫兹脉冲，同时也避免了太赫兹在空气中传输被水分吸收的问题。

激光尾场产生太赫兹则可分为磁化均匀等离子体中切伦科夫辐射，非均匀等离子体中线性模式转换，跃迁辐射；另外，研究发现利用超短飞秒脉冲激励纳米量级的金属周期结构，可产生表面等离子体。

同时，该结构可将飞秒激光和表面等离子体场聚焦，以发生很强的非线性效应。

3.2 太赫兹辐射传输
由于大气中的水汽、氧气、二氧化碳等对太赫兹辐射吸收较强，使得太赫兹在自由空间
中的传输十分困难。

再者，太赫兹辐射不能被很好的控制、聚焦，太赫兹脉冲，以频率分量呈径向分布，造成聚焦度、孔径，甚至自由空间传输对太赫兹的波形及其光谱都具有很大的影响。

太赫兹传输的重点和难点在于太赫兹辐射的导波传输问题及太赫兹波相关的导向传播和自由传播间的有效耦合问题[7]。

目前常见的太赫兹波传输有两种方法—波导传输技术和准光学技术。

波导方法需要金属波导腔或介质光纤。

在波长低于毫米级频率范围内，金属波导方法有很大的能量损失，大约与频率的平方成正比，而利用光纤则有色散和较高的吸收[8]。

太赫兹波在波导中传输可应用于近场太赫兹波器件、太赫兹波互联、太赫兹波准光学腔和实现太赫兹波谱的超灵敏测量等。

在用波导传输太赫兹脉冲时，必须选取群速度色散较小的波导。

准光学技术是太赫兹传输的常用方法，它可将自由空间中传输的太赫兹波由发射端传输到接收端，或是将自由传输的太赫兹波有效的耦合到波导之中。

3.3 太赫兹波探测
太赫兹探测技术是太赫兹科学技术应用的延伸，太赫兹的探测方法归为两种：相干探测和非相干探测。

但由于目前太赫兹辐射源的功率普遍偏低，因此发展高灵敏度、高信噪比的太赫兹探测技术十分重要。

常见的太赫兹脉冲的相干探测方法有光电导取样、电光取样、外差探测，以及近年来发展的空气等离子探测等。

对于电导取样方法适用于低频太赫兹的探测，有很好的信噪比和灵敏度，但探测带宽窄。

电光取样则是光整流的逆过程，是基于Pockels效应来得到太赫兹脉冲的相关信息。

该方法适用于高频太赫兹的探测，具有探测带宽宽、高信噪比、高灵敏度、响应时间短等优点。

太赫兹非相干探测器一般都是基于光热效应和光子效应的探测器,能够直接测量太赫兹信号。

光热探测器一般有测辐射热计、热释电探测器和高莱探测器，它们都是将吸收的太赫兹辐射的能量转换为探测元件的电学性质或物理性质，如温度、电阻率和自发极化强度等的变化。

3.4 太赫兹波与物质相互作用
不同的介质（如气体、液体和固体等）与太赫兹波相互作用具有不同的特性，介质对太赫兹波的吸收、相移和散射也不具相同。

通过振幅和位相变化的测量，可以表征介质材料的电子、晶格振动和化学成分等性质，由此可以精确测量材料的吸收系数、折射率、介电常数、频移等相关特性，以及物质内部的超快过程。

通过研究，太赫兹波与导体或高自由载流子浓度的半导体的相互作用可以分析这些材料的介电常数、载流子浓度，以及它们在太赫兹波段的折射率等。

另外，利用太赫兹波与部分物质相互作用还可以研究物质的能级结构，确定物质的能级共振结构,研究分子的转动能级或振动能级，晶体的声子振荡及晶体的声子结构等。

4 太赫兹技术的应用
太赫兹波兼具微波和红外的优异特性，同时包含了丰富的物理和化学信息，广泛应用于
医学、雷达通讯、军事、航空航天、天文观测等领域。

太赫兹科学技术是电磁学、激光物理学、半导体物理学等多个学科的交叉技术，并且为这些学科的研究提供了新的研究方法和手段，在基础物理学中发挥着举足轻重的作用。

4.1 太赫兹波成像技术
太赫兹成像技术相对于可见光和X射线有非常强的互补特征，其穿透能力介于两者之间，又不会对人体或生物组织造成伤害。

太赫兹波在材料研究、安检、生物和医学中的各种成像应用是目前开展得最广泛的研究。

太赫兹波成像技术可以利用相位信息进行成像，许多干电介物质对太赫兹波段基本是透明的，但是折射率不同会引起太赫兹波相位的变化，从而实现对不同材料的鉴别。

例如使用太赫兹波成像技术在车站、机场对行李或旅客进行安检就非常理想，它可以准确地检查刀具、枪支、炸药及非法药品毒品等[9,10]。

对细胞水平的生物组织进行成像，主要是测量不同组织及其含水量对太赫兹波的吸收引起能量的变化，例如皮癌即[11]及其它组织表层病变的早期诊断等。

通过太赫兹TDS技术还可以同时探测太赫兹波的相位和振幅变化信息，可以实现对材料光谱特性的研究，例如测定掺杂半导体载流子的富集度和迁移率和研究高温超导材料的特性等。

4.2 太赫兹雷达和通讯技术
太赫兹辐射具有比微波更短的波长及更高的时间精度，依此原理研制的太赫兹雷达可对目标进行敏感探测与监视，太赫兹雷达在国家安全和保护领域具有广阔的应用前景[12]。

THz频段的波长远小于通常的微波及毫米波频段的波长,适合于极大信号带宽和极窄天线波束的实现,有利于实现目标的高分辨率成像,且物体运动引起的多普勒效应更为显著,更利于检测目标的运动特征。

这些特点使得THz雷达探测系统具有微小目标探测、极高分辨率的目标成像识别能力。

虽然THz频段的大气衰减比较严重,但在太空环境下THz频段的衰减会大大降低,因此THz探测系统在太空环境更容易实现高分辨目标探测。

太赫兹通信是指用太赫兹波作为信息载体进行的空间通信。

因为太赫兹波介于微波与远红外光之间，处于电子学向光子学的过渡领域，所以它集成了微波通信与光通信的优点。

相对于微波通信而言：l）太赫兹通信传输的容量更大。

太赫兹波的频段在108~1013Hz 之间，可提供高达10GB/s的无线传输速率；2）太赫兹波具有更好的保密性及抗干扰能力；3）太赫兹波束更窄、方向性更好、可以探测更小的目标以及更精确地定位；4）由于太赫兹波波长相对更短，在完成同样功能的情况下，天线的尺寸可以做得更小，其他的系统结构也可以做得更加简单、经济。

相对于光通信而言；1）用光子能量约为可见光的1/40的THz波作为信息载体[13]，能量效率更高；2）THz波具有更好的穿透沙尘烟雾的能力，它可以实现全天候的工作。

太赫兹波在通过大气时，由于水蒸气而导致的强吸收、低效率以及在目前可选的THz源中相对低发射功率会给太赫兹通信带来明显的不利影响，但是，随着高功率的太赫兹光源、高灵敏度的探测技术及高稳定性系统的日益突破，占有很多优势的太赫兹通信必将指日可待。

THz通信特别适合作卫星间、星地间及局域网的宽带移动通讯。

将来利用太赫兹无线网
络下载一部DVD电影几乎是“弹指一挥间”，几秒钟即可完成。

太赫兹与可见光和红外线相比，它同时具有极高的方向性及较强的云雾穿透能力，使得太赫兹通信可以以极高的带宽在战场中进行定向、高保密甚至明码军事通信。

4.3 太赫兹波在航天材料领域的应用
在材料鉴定方面，大多数分子均有相应的太赫兹波段的“指纹”特征谱，研究材料在这一波段的光谱对于物质结构的性质以及揭示新的物质有着重要的意义。

太赫兹技术非常适合于用来分析分子，可以通过太赫兹波激发并探测“分子振动旋转状态”来进行光谱分析。

它能有效地激发分子进入各种共振模式，使分子振动或转动。

在这一过程中，分子吸收能量，在光谱仪中生成某段频率的吸收谱线，然后就可以据此判断出其中含有那些分子。

因此，可以使用太赫兹分析他国卫星的组成、结构甚至材料。

由于太赫兹波有较强的穿透率，并且其光子能量低，只有几个毫电子伏特，穿透时不易发生电离，因而可用于安全的无损检测。

尤其是对一些塑料泡沫等绝缘材料内部的缺陷和裂纹等进行无损检测和成像，在战略导弹及航空、航天结构材料的检测和评估方面具有重要的应用价值。

如对航天飞机燃料舱的隔热材料进行有效的无损探伤，已被美国宇航局选择为发射中缺陷检测的技术之一[14]。

有的公司用结构小巧的固体太赫兹波系统对航天器外部燃料箱的泡沫隔离层进行空洞（空气泡）和脱胶（两泡沫层间脱离或泡沫层和地板间脱离）检测。

美国使用了一套基于光学技术的太赫兹波系统，充分证明了太赫兹波可以对航天器燃料舱的隔热材料进行有效的无损探伤。

4.4 太赫兹波在生物医学方面的应用
由于太赫兹波能量低，不会对生物体产生电离危害，能对患者进行无损检测和筛查。

另一方面，太赫兹波对水相中物质水含量或者化学物质的微小变化极其敏感，不同样本水含量的差异有利于太赫兹医学诊断研究。

太赫兹技术能够检测出经过脱水处理或者石蜡包埋处理的样本间的差异，这说明太赫兹波能够辨别不同病理组织的组织结构。

Png等[15]使用太赫兹光谱鉴别正常和患病的脑组织样本。

Stringer等[16]应用太赫兹光谱技术对人腿皮质骨进行了检测。

研究有助于理解太赫兹波对生物组织的响应情况。

另外，太赫兹波空间分辨率高，太赫兹波能够穿透表皮，太赫兹时域成像技术使用样本的振幅和相位信息生成样本的3D图像。

Joseph等[17]采用连续太赫兹成像技术对非黑色素皮肤癌进行了研究，Zhang等[18]利用太赫兹成像技术对皮下肿瘤和肝炎组织进行了研究。

因此太赫兹成像作为一种安全、无损的医学成像技术对生物组织的检测和诊断具有重要的应用价值和发展潜力。

5 结论
太赫兹技术作为一项多学科的交叉技术，有其独特的优势，并具有广阔的应用前景，如前所述，太赫兹技术应用于生物医学、航天军事、雷达通讯等都展现出比现有技术的优越性。

然而太赫兹技术的多项应用目前还只是处于实验室阶段，真正实现大规模的应用还没有开始，一些应用中遇到的问题还没有得到切实的解决。

然而随着太赫兹科学技术的快速发展，太赫
兹科学技术的理论不断发展和成熟，伴随着各类太赫兹源、检测和传输器件的研发成功，太赫兹技术必将对国民经济和国家安全产生重大影响。

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