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