太赫兹(THz)技术

太赫兹(THz)技术
一、基本概念 (1)
1. 太赫兹波 (1)
2. 太赫兹波的特点 (1)
二、国内外研究现状 (2)
1. 美国 (3)
2. 欧洲 (3)
3. 亚洲 (3)
三、太赫兹技术的应用 (4)
1. 太赫兹雷达和成像 (4)
2. 太赫兹通信 (5)
3. 太赫兹安全检查 (6)
4. 太赫兹无损检测 (7)
5. 环境探测 (7)
6. 生物医学 (8)
7. 天文观测 (8)
8. 材料特性的研究 (9)
四、太赫兹技术的研究内容 (9)
1. 太赫兹辐射源 (9)
2. 太赫兹波段信号的探测 (10)
3. 太赫兹功能器件 (10)
五、我们能做些什么 (10)
一、基本概念
1.太赫兹波
太赫兹(Terahertz)一词是弗莱明(Fleming)于1974年首次提出的，用来描述迈克尔逊干涉仪的光谱线频率范围。

太赫兹(THz, 1THz=1012Hz)频段是指频率从十分之几到十几太赫兹，介于毫米波与红外光之间相当宽范围的电磁辐射区域。

THz波又被称为T射线，在频域上处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，在电子学向光子学的过渡区域。

长期以来由于缺乏有效的THz辐射产生和检测方法，对于该波段的了解有限，使得THz成为电磁波谱中最后一个未被全面研究的频率窗口，被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙”（Terahertz Gap）。

2.太赫兹波的特点
THz波具有很多独特的性质。

从频谱上看，THz 辐射在电磁波谱中介于微波与红外辐射之间；在电子学领域， THz辐射被称为毫米波或亚毫米波；在光学领域，它又被称为远红外射线；从能量上看, THz波段的能量介于电子和光子之间。

THz的特殊电磁波谱位置赋予它很多优越的特性，有非常重要的学术价值和应用价值，得到了全世界各国研究人员的极大关注。

THz 波的频率范围处于电子学与光子学的交叉区域。

在长波方向，它与毫米波有重叠，在短波方向，它与红外线有重叠。

在频域上， THz处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区。

由于其所处的特殊位置，THz波表现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性质：
1)THz脉冲的典型脉宽在亚皮秒量级，不但可以方便地对各种材料进行亚皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪音的干扰，得到具有很高信噪比(大于) THz电磁波时域谱，并且具有对黑
体辐射或者热背景不敏感的优点。

2)THz脉冲通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从GHz 至几十THz的范围，便于在大范围里分析物质的光谱性质。

3)THz波的相干性源于其产生机制，它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频效应产生THz波的时域光谱技术(THz-TDS)直接测量THz波的时域电场，通过傅立叶变换给出THz 波的振幅和相位。

因此，无需使用Kramers-Kronig色散关系，就可以提供介电常数的实部和虚部。

这使测得的与THz波相互作用的介质折射率和吸收系数变得更精确。

4)THz波的光子能量较低，1THz频率处的光子能量大约只有4mV，比X 射线的光子能量弱107～108倍。

因此,THz波不会对生物组织产生导致电离和破坏的有害光，特别适合于对生物组织进行活体检查。

5)THz光子能量约为可见光，用THz做信息载体比用可见光和近中红外光能量效率高得多。

6)THz波是具有量子特性的电磁波，具有类似微波的穿透能力，同时又具有类似光波的方向性。

THz波也可以被特定的准光学器件反射、聚焦和准直，可以在特定的波导中传输。

THz波对于很多非极性物质具有较强的穿透能力，可以穿透很多对于可见光和红外线不透明的物质(如塑料、陶瓷、有机织物、木材、纸张等)，因而可用来对已经包装的物品进行质检或者用于安全检查。

7)凝聚态体系的声子吸收很多位于THz波段，自由电子对THz波也有很强的吸收和散射，THz时域光谱技术是一个研究凝聚态材料中物理过程的很好的工具。

特别是许多有机分子在THz波段呈现出强烈的吸收和色散特性，不同分子对于THz波的吸收和色散特性是与分子的振动和转动能级有关的偶极跃迁相联系的，而分子的偶极跃迁犹如人的指纹，是千差万别的，因此，可以通过光谱分析实现分子的识别，就如同识别人的指纹一样。

THz光谱通过介电函数的实部和虚部来描述分子的转动和振动。

大多数极性分子如水分子、氨分子等对THz辐射有强烈的吸收，可以通过分析它们的特征谱研究物质成分或者进行产品质量控制。

二、国内外研究现状
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，使得THz受到全世界各国政府的支持，并给予极大的关注。

美国、欧州和日本尤为重视。

1.美国
2004年美国把TH z作为改变未来世界的十大技术之一，并于2006年把其列为国防重点科学。

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，另外还有一些公司如Bell、IBM等都在开展THz科学技术的研究工作。

美国的政府机构如：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20世纪90年代中期开始对THz科技研究进行大规模的投入。

目前已经研究出的标志性成果是0.225THz机载雷达。

2.欧洲
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TH z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。

另外制定的研究主题主要有THz辐射成像(2004-2008年)，分子生物学研究( 2004-2009年)，THz空间天文学( 2005-2009年)，THz遥感(2005-2012年)，光子带隙材料(2004-2009年)，微机械探测器(2006-2015年),其标志性成果是研制出TH z远距离检测系统( 2006年重大项目)。

3.亚洲
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。

2005年元月，日本把太赫兹技术确立为今后十年内重点开发的国家支柱技术十大重点战略目标之首，并列入日本政府从2006年开始到2010年结束的第3期科学技术基本计划予以支持。

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 Techno logy Corporation等公司都大力开展TH z 的研究与开发工作。

日本在研制太赫兹技术的标志性成功是2006年研制出15km 的THz无线通信演示系统，完成世界上首例THz通信演示。

除此之外，日本还与欧美合作，成立ALMA计划，建设全球最大的射电天文亚毫米波干涉阵，计划投资10
亿美元，每年开展三方研讨会，该计划受到欧美日政府的高度重视。

我国政府在2005年11月专门召开了香山科学会议，邀请国内多位在THz研究领域有影响的院士专门讨论我国THz事业的发展方向，并制定了我国THz技术的发展规划。

我国的THz学科研究受到政府和各研究机构的广泛重视。

国家科技部、国家自然科学基金委、863计划(民口和军口)及第270次香山科学会议等都将太赫兹科学技术列为研究主题。

三、太赫兹技术的应用
太赫兹技术之所以具有特别的吸引力，是由于太赫兹辐射的如下特点：约50% 的宇宙空间光子能量、大量星际分子的特征谱线在太赫兹范围内；大量有机分子转动和振动跃迁、半导体的子带和微带能量在太赫兹范围内；太赫兹辐射能穿透非金属和非极性材料，穿透烟雾和浮尘；太赫兹光子能量小，不会引起生物组织的光致电离。

因此，太赫兹技术在物体成像、环境监测、医疗诊断、射线天文、宽带通信、雷达等领域具有重大的科学价值和广阔的应用前景。

在世界范围，太赫兹辐射物理及其应用研究方兴未艾。

由于信息化武器装备的工作频段逐步从微波及可见光区域向太赫兹波段延伸，太赫兹科学技术在军事上的重要性不言而喻。

谁优先掌握这一重要频段的相关技术，谁就有可能在军事上领先一个时代。

我们应该抓住太赫兹科学技术刚刚起步的机遇，不失时机地加速开展太赫兹领域的理论与应用研究，为我国的经济发展和国防建设做出贡献。

太赫兹波的频率介于微波与红外之间，因此太赫兹系统兼顾电子学系统和光学系统的优势。

作为一个尚待深入开发的频段资源，太赫兹波在军事上，尤其在雷达及目标识别、宽带通信、危险物探测和无损检测等方面具有潜在的应用前景。

在雷达及目标识别方面。

相对于微波，太赫兹波波长短、波束窄、方向性好，因此作用在目标上的功率密度高，成像的分辨率高，系统的体积小、易于实现空间功率合成。

相对于红外及可见光，太赫兹波波束宽度适中，易于实现对目标的跟踪瞄准；穿透性能好，能以较小的损耗穿透沙尘烟雾及非金属材料。

1.太赫兹雷达和成像
太赫兹波在雷达、目标识别、引信及精确制导方面具有潜在的应用前景。

利
用太赫兹波方向性强、能量集中的特点，可制作高分辨率的战场雷达和低仰角的跟踪雷达。

利用太赫兹波穿透物质成像技术，可以探测隐藏在覆盖物或烟尘中的军事装备。

利用太赫兹波穿透沙尘烟雾的能力，可以制作全天候导航系统，在浓雾中指挥飞机着陆。

太赫兹波的频谱宽，可跨越目前隐身技术所能对抗的波段，因此以太赫兹波作为辐射源的超宽带雷达能够获取隐身飞行器的图像。

成像识别是太赫兹技术的一个重要应用领域，也是军事上实现目标监视、追踪、识别的重要技术手段，实现多光谱成像（高光谱及超光谱成像）、三维成像。

据报道，美国已经研制出0.225 太赫兹的机载雷达。

太赫兹雷达系统包括辐射源以及探测散射辐射的系统。

太赫兹时域光谱系统经改进后就能成为脉冲散射测量系统。

通过可偏转的反射镜将太赫兹光束打到目标物上，而后调整太赫兹探测器就可接收到散射辐射。

这种结构的优点是，除了获知目标的位置和形状，利用太赫兹时域光谱系统还可以探得物体的材料特性。

2.太赫兹通信
太赫兹频段位于红外线和高频无线电之间，是目前手机通信频带宽度的1000倍左右，是很好的宽带信息载体。

太赫兹无线通信的传输速度快，而且有极高的方向性和较强的云雾穿透能力，适合于高保密卫星通信及战地高速短距离无线通信。

太赫兹通信还处在发展的初级阶段，这一频段的数据传输直到近几年才得以实现（2006 年研制出传输距离 1.5 千米的太赫兹无线通信演示系统），离“太赫兹通信时代”的1 太比特/秒有效数据传输率还有相当距离，但是其广阔的发展前景令人神往。

目前，在美国联邦通信委员会的通信频谱分配图中，对太赫兹所在的高于300吉赫的频段尚没有进行分配，这是一块未开垦的“处女地”。

太赫兹在350、450、620、735 和870 微米波长附近，有相对透明的大气窗口，可以用于太赫兹空间通信。

太赫兹波在外层空间可以无损耗地传输，用很小的功率实现远距离通信，而且相对于光学通信来说，波束较宽、容易对准，量子噪声较低，天线系统可以实现小型化、平面化。

太赫兹波在空间技术上的一个重要应用，就是与重返大气层的飞行器（如导弹、飞船等）进行通信。

当飞行器重返大气层时，由于空气摩擦产生高温，飞行器周围的空气被电离形成等离子体，使通信遥测信号迅速衰减以至中断。

此时，
太赫兹系统是惟一有效的通信工具。

太赫兹信号在大气中传输距离有限，且指向性很好，这些特性有利于在战场环境中提供近距离保密战术通信。

在某些情况中，鉴于作战地带通信声道的混乱和拥塞，有限的传输距离反而成为优势。

大气衰减有利于实现隐蔽的近距离通信，因为太赫兹信号根本无法传播到远处敌人的监听站，使敌人无法在通信途中探测、截取、阻塞或“造假”传输信号。

倘若太赫兹通信设备能够做得足够小而轻，则可以实现班排级单位甚至单兵之间的通信。

3.太赫兹安全检查
太赫兹具有隔着衣物探测金属物品能力，可用于机场等重要场所的安全检查。

太赫兹探测装置不仅可以显示隐藏物的形状，而且能够确定物品的化学成分，因此具有检查爆炸物和生化武器的能力，可用于人员及邮件等物品的检查、战场化学成分寻迹等。

太赫兹安全检查是一种结合太赫兹光谱技术、太赫兹成像技术的综合应用，可用于毒品、爆炸物、大分子生物以及武器、炸弹的探测，对公共安全和国土防御起到重要作用。

这是由于，多种爆炸物、毒品分子的振动和转动能级谱处于太赫兹频段（100吉赫～10太赫）。

太赫兹光谱和成像技术不同于X射线和超声成像等手段, 不仅可以提供物体形状, 而且测得的光谱信息与已有的爆炸物和毒品的太赫兹谱库进行比较，可用于材料特性识别。

利用太赫兹时域光谱测量（TDS）技术可以得到这些特征谱，进而分析物质的内部结构信息。

在美国“9.11”事件后，发展监控、探测、辨别隐藏的危险物品（如捆绑在人身上的塑性炸药或信封中的生物药剂）的全新方法，对公共安全越来越重要。

由于吸毒贩毒活动的日渐猖獗，如何有效地探测毒品并进行品种和纯度的快速、精确检定，无论是在缉毒领域还是对毒贩量刑方面，都极为重要。

复杂的有机分子（如毒气战剂）在太赫兹波段存在转动吸收光谱。

太赫兹光谱技术对此非常灵敏，目前在实验室中能够辨别十亿分之一浓度的气体分子，并通过烟雾中的反向散射体直接获取足够的信息。

另外，生物战剂（如炭疽）在太赫兹波段有明显的声子共振现象，也同样可以探测到。

通过标识出它们在大气中的散布范围，可以提示战斗人员及时采取防护措施，避免误入化学毒气或生物战剂沾染地域。

太赫兹波可穿透衣物、纸张、塑料、皮革和陶瓷等绝缘材料，而且光子能量
很低，不会在生物组织中产生有害的光致电离。

因此，太赫兹成像技术是探测人员藏匿及包装内隐蔽危险物的一种极具竞争力的方法，可以在机场、车站等地对行李、物品、旅客进行安全检测。

金属探测器和X 射线系统是探测隐蔽武器的传统方法，但金属探测器无法探测到陶瓷手枪、塑料刀具和塑料炸弹，难以区别普通的金属物品和凶器；X射线系统对人体的可能危害妨碍了它的使用。

太赫兹成像技术能够穿透一般的衣物探查到隐蔽物体，成像分辨率比微波要高，而且可以进一步发展为远距离太赫兹成像，在50甚至100米以外对可疑人身和物品进行检查。

4.太赫兹无损检测
太赫兹脉冲成像技术还被用于探测航天飞机隔离层泡沫材料中的缺陷。

通过逐点扫描得到各部分的时域波形，然后分析波形的变化来判断缺陷的大小、形状、位置和种类。

2003年2月1日，美国哥伦比亚号航天飞机返回地球时在62千米高空发生爆炸，机上7名宇航员遇难。

事故调查委员会把这一悲剧归因于，一块手提箱大小的外置燃料箱泡沫隔热层在起飞过程中发生脱离，然后砸破航天飞机左翼隔热板。

当航天飞机重返大气层时，3000℃的高温气体从破洞中进入，导致机毁人亡。

据称在以前的发射中，泡沫隔热材料撞击航天飞机的情况至少发生过7次。

因此，泡沫材料中缺陷的检查成为了确保航天飞机发射安全的关键所在。

太赫兹波成像被美国宇航局选为未来探测泡沫隔热材料缺陷的4种技术之一，其他3种是X光成像、超声波成像和激光剪切力成像。

业已证明，泡沫塑料在太赫兹波段具有非常低的吸收率和折射率，太赫兹波可以穿过几英寸厚的泡沫材料，并探测到深埋其中的缺陷。

传统成像技术只能提供每个像素的强度信息，而太赫兹时域成像记录了每个像素点上太赫兹脉冲的整个时域波形，从而提供了多维信息。

5.环境探测
THz技术能够对固体、气体、液体及火焰等介质的电学、声学性质及化学成分进行研究。

科研人员可利用TH z穿透烟雾来检测出大气中的有毒或有害分子, 因此可用于环境的污染检测。

由于THz波同样能够被大气层中的水、氧气、氮化物等物质所吸收, 我们可以通过卫星携带的THz探测器来实现对大气中气体含量及分布进行检测, 然后通过大气THz微量分子变化来监测全球气候变暖问题。

2004年美国国防部DARPA 投入大量的资金, 研制THz成像阵列技术,并最终研制出便携式、远距离THz成像雷达, 它可以在沙尘暴、浓烟及海上浓雾中寻找
目标并清晰成像。

由此可以看出, 在空间及环境探测应用中, THz表现出以下优点:
(1)全天候能力;
(2)反目标隐蔽能力强;
(3)抗背景杂波干扰能力强;
(4)特别的穿透探测和识别能力;
(5)可实现三维成像。

6.生物医学
生物体对TH z波具有独特的响应,而且很多生物大分子如DNA分子的旋转及振动能级多处于THz波段, 所以THz在蛋白质等生物大分子无标志识别应用中有着举足轻重的作用。

由于THz具有类似X射线的穿透能力, 且其光子能量小,不会引起生物组织的光离化,所以在生物医学成像方面非常安全,适合于生物医学成像。

Chen等人利用THz技术测量了乳腺正常组织和肿瘤病变组织部分的不同光谱, 发现癌变组织和正常组织的TH z波具有不同的振幅、波形和时延。

因此, 我们可以通过THz对病变细胞的识别, 实现皮肤癌、乳腺癌的早期诊断和预防。

太赫兹辐射不仅在皮肤癌检测上得到应用,而且还在生物芯片和生物传感器方面发展迅速。

另外,由于大量有机分子转动和振动跃迁、半导体的子带和微带能量在THz范围, 所以THz有助于指纹识别、结构表征及分子生物信息应用的发展, 如通过TH z来分析药物的物理、化学及生物成分、波谱特性、分子、量子相互作用过程等重要信息来对药物生产质量进行控制。

7.天文观测
THz在天文学上占有极为重要的地位,是射电天文学上极重要的波段,它可以结合卫星实现空间成像。

我们还可以根据星际、星系际大气分子特征谱及行星和小星体的大气动力学原理, 通过THz来完成许多天文方面的应用。

此外,为更好地实现天文观测, 国际上也部署了一些大型THz天文计划, 如SMA 和ALMA 计划等, SMA 计划中的干涉阵是国际上目前唯一在运行的亚毫米波。

美国在南极也部署了最好的地面亚毫米波站, 利用TH z望远镜观察到很多重要的新星体, 这
对于研究宇宙的起源和星体的形成起到了不可估量的作用。

8.材料特性的研究
太赫兹光谱系统的一项主要应用就是研究材料的特性，特别是轻分子和半导体。

太赫兹光谱技术已经被用来定出掺杂半导体如GaAs和Si晶片的载流子的富集度和迁移率。

Drude 模型被用来联系与频率有关的介电响应和自由载流子动态特性，包括等离子的角频率和阻尼率之间的关系。

一项重要的研究集中在薄膜的介电常数的测量上。

高温超导体的特性研究是太赫兹光谱技术应用的另一个重要领域。

一些超导薄膜已经使用太赫兹光谱技术研究了包括穿透深度和超导能隙等
的性质。

这种材料有高达39 K 的性质。

THz-TDS 已经被用来研究新超导材料MgB
2
的超导转变温度，但是这种材料在理论上并没有被很好地理解。

THz-TDS技术定出这种材料的超导能隙大约是5meV。

这个数字只有目前理论预言的数值的一半,显示这种材料有着复杂的相互作用。

使用光学抽运的太赫兹测量系统可以揭示材料的更多的信息. 在这一实验技术中,先使用超快光脉冲激发材料,然后太赫兹脉冲被用来探测被激发的材料的动态远红外光学特性。

Leitenstorfer等人使用光抽运的太赫兹系统研究了GaAs中被超快光脉冲激发的电荷－空穴等离子体中电荷－电荷之间相互作用的时间演化。

这项研究为量子运动学对库仑场建立和屏蔽形成准粒子作出的理论预言提供了实验证据。

四、太赫兹技术的研究内容
1.太赫兹辐射源
THz辐射源的研究是THz领域科技发展的核心研究内容。

早在上个世纪20年代就有科学家对太赫兹波产生了浓厚的科学兴趣，但其产生方法与探测手段与十分成熟的微波、光学技术相比仍然十分落后，以目前的电子学和光子学理论与技术在太赫兹波段都难于独立解决，所以直到80年代中期，科学家对于该波段电磁辐射性质的了解都非常有限，形成了原红外线和毫米波之间所谓的“太赫兹空白隙”（Terahertz Gap）。

常见的THz 波的产生方法有4 种：半导体THz源(包括THz 量子级联激光器等)、基于光子学的THz发生器、利用自由电子的THz 辐射源(包括THz 真空器件，电子回旋脉塞和自由电子激光) 和基于高能加速器的THz 辐射源。

如何
有效的产生高功率、高能量、高效率且能在室温下稳定运转、宽带可调的THz 辐射源，是太赫兹科学研究中最基本、最关键和最急迫的问题，受到国际科学界的高度重视。

2.太赫兹波段信号的探测
在THz 波段的开发和利用中，信号的检测具有重要意义。

与较短波长相比，THz波段光子能量低,背景噪声常常占据显著的地位。

为了充分发挥THz系统的作用(例如，发现更微弱的目标、在更远的距离上通讯等等)，不断提高接收的灵敏度也是必然的追求。

在不同的频率应选择不同的检测器。

在THz的低端，一般倾向于外差式的检测器，而在THz的高端，直接检测器的灵敏度更好一些。

常见的探测分类方法如下表所示。

3.太赫兹功能器件
为了组成THz系统,例如THz成像和THz波谱等,除了THz源和检测系统外,其内部连接也是非常重要的,所以需要一些功能器件,如传输系统、谐振系统等。

因此,以波导为基础的太赫兹器件就成了太赫兹传输的重要基础,也是太赫兹波能否广泛应用的关键。

近年越来越多的科学家投人到该领域的研究中,因而出现了诸如太赫兹金属波导、光子晶体波导、光子晶体光纤、聚合物波导、塑料带状波导和蓝宝石光纤等不同类型的太赫兹波导器件,它们不但在传输性能方面愈显其优越性,而且体积越来越小,便于制成集成器件。

五、我们能做些什么。