太赫兹(THz)技术及其在深空探测中的应用

太赫兹（THz）技术及其在深空探测中的应用

余小游，李仁发，余方，谌晓明，李斌

（湖南大学计算机与通信学院，湖南长沙 410006）

摘要：随着微纳器件工艺的长足进步，太赫兹波的产生、探测与发射已经成为可能，消除电磁波谱中的太赫兹空隙指日可待。太赫兹技术在深空探测遥感成像、深空探测通信方面的应用前景十分广阔。本文在简要介绍太赫兹基本理论和技术（简称THz技术）的基础上，对其应用于深空探测的前景进行初步探讨。

1 引言

太赫兹波是指频率介于0.1-10THz之间的电磁波（波长为），是处于毫米波和红外波之间的相当宽范围的电磁辐射区域，涵盖了毫米波（0.03－0.3THz）高端（0.1－0.3THz）、亚毫米波（0.3－3THz）、远红外波（0.3－6TGHz）、中红外波（6－120THz）低端（6-10THz）的广泛波谱区域。太赫兹波虽然广泛存在于自然界，如人体热辐射、生物大分子的振动和转动频率、天体辐射到地球的电磁波中的大部分、约50%的宇宙空间光子能量、大量星际分子的特征谱线等都处于太赫兹频段，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，这个现象被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙”。

太赫兹波段处于电子学和光子学的交叉区域，太赫兹波的理论研究也处在经典电磁场理论和量子跃迁理论的过渡区，其性质表现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性，从而可广泛应用于波谱分析、成像和通信等领域。太赫兹波又被称为T-射线，它在物理学、材料科学、医学和遥感成像、射电天文、宽带保密通信、深空探测测控通信方面具有重大的应用前景。

2 THz技术的研究现状

太赫兹空隙现象存在多后，随着60GHz以下电磁波频段的日益拥挤、以及应用的不断发展需要，太赫兹波段成为人们重点关注的对象，太赫兹科学和技术也成为倍受各国政府支持和重视的先进科学技术，欧、美、日、俄等国家和地区投入大量人力、物力和财力进行相应的基础性理论研究和技术应用开发。

美国：THz技术在美国得到了很大的重视和发展，2004年被列为改变未来世界的十大技术之一，在2006年被列为美国防重点科学，目前美国有多个政府机构和民间企业和机构正在积极研究此项技术，包括美国宇航局（NASA）、美国国防部（DARPA）、NSF、LLNL、LBNL、JPL、BNL、ALS、Bell、IBM等，目前已经研究出的标志性成果是0.225THz机栽雷达。

欧洲：欧洲主要有STARTIGER、IST、THz-Bridge、Teravision、NanoTera、WANTED 等机构，制定的研究主题有THz辐射成像（2004-2008），分子生物学研究（2004-2009），THz空间天文学（2005-2009），THz遥感（2005-2012），光子带隙材料（2004-2009），微机械探测器（2006-2015）年，标志性成果是研制出THz远距离检测系统（2006年重大项目）。

日本：日本政府在2005年1月也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年结束的第三期科学技术基本计划予以支持。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。日本在研制太赫兹技术的标志性成功是2006年研制出1.5公里THz无线通信演示系统，完成世界上首例THz通信演示。

中国：中国科学院物理所建立了国内第一台THz光谱测量系统【2】，并对GaAs中载流子的超快弛豫过程以及GaAs／Au界面电场的快速变化过程进行了较深入的研究；由姚建铨院士带领的天

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津大学激光与光电子研究所在周期极化LiNbO3(PPLN)方面已经进行了大量的研究工作；西安理工大学超快光电技术研究中心在用超短激光脉冲触发光电导开关产生THz射线方面也有一定的突破。中国科学院上海微系统与信息技术研究所的曹俊诚等在包括THz物理、器件及其应用方面取得了一系列的研究成果。中国科学院上海应用物理所和首都师范大学在利用THz时域光谱技术研究材料光谱特性方面也取得一定的研究进展。

3 THz技术的主要特点[2]

太赫兹技术之所以引起人们广泛的关注，首先是因为该波段电磁波的重要性，物质的THz光谱(发射谱、透射谱和反射谱)包含有非常丰富的物理和化学信息，研究材料在这一波段的光谱对于物质结构的探索具有重要意义；其次，THz脉冲光源与传统光源相比具有很多独特的性质：

(1) 瞬态性。THz脉冲的典型脉宽在皮秒（ps）量级，不但可以方便地对各种材料(包括液体、半导体、超导体、生物样品等)进行时间分辨的研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪音的干扰。目前，其辐射强度测量的信噪比可以大于1Om，远远高于傅立叶变换红外光谱技术，而且稳定性更好；

(2) 宽带性。THz脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可覆盖从GHz到几10 THz的范围，有利于在大的范围里分析物质的光谱性质；

(3) 相干性。由相干电流驱动的偶极子振荡产生或由相干的光脉冲通过非线性光学差频产生的THz波具有的时间、空间相干性，THz波的相干测量技术能够直接测量电场振幅和相位，无需使用Kramers-Krong色散关系就可以提供介电常数的实部和虚部信息。因此，能够精确获得样品折射率和吸收系数；

(4) 低能性。THz光子有较低的能量(4 meV@ 1 THz，比X射线的光子弱近百倍)，不会在生物组织中：引起光损伤及光致电离。适合于对生物组织进行活体检查；

(5) “指纹”征性。大多数分子均有相应的THz波段的“指纹”特征谱，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，这是与分子的振动和转动能级有关的偶极跃迁相联系的。分子的偶极跃迁犹如人的指纹是千差万别的，研究材料在这一波段的光谱对于揭示物质的结构及性质有重要意义；

(6) 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技术将成为一个研究凝聚态材料中物理过程的很好的工具。

(7) 对黑体辐射(热背景)不敏感。室温下，一般物体有热辐射，这一辐射大约对应6 THz。从宇宙大爆炸中产生的宇宙背景辐射有一半都在光谱中的THz部分。

4 THz技术非常适合于深空探测通信

THz波在太空通信方面具有巨大优势，THz 卫星太空成像和通信技术已成为各大国关注的重要领域【2】。在信息技术方面，THz波收发机的原理试验已经开展，人造卫星上搭载的THz探测器已成功地绘制了地球上海洋的温度分布图，其作为宽带无线通讯的一种手段也正在研究之中。THz频率位于红外线和高频无线电(主要用在移动电话和其它无线通信系统中)之间，由于该频率是目前手机通信频率的1 000倍左右，是很好的宽带信息载体，特别适合作卫星间、星地间及局域网的宽带移动通讯。

太赫兹波特别适合于深空探测通信，这是因为：（1）在太空环境中，太赫兹波可以无损耗地传输，用很小的功率就可以实现远距离通信，而且，相对于光通信而言，太赫兹波束较宽，容易对准，量子噪声较低，天线系统可以实现小型化和平面化；（2）太赫兹波存在着相对透明的大气窗口（350μm、450μm、620μm、735μm、870μm等波长附近）；而且，与微波通信相比，太赫兹波束较窄，波束方向性好，可实现外差式接收，可用于实现月地间的定点保密通信或大容量的多媒体无线通信传输；（3）当飞行器（导弹、宇宙飞船、卫星返回舱、月球探测采样返回器等）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而形成等离子体，使得普通的通信遥测信号迅速衰减，造成信号中断，此时，太赫兹波是唯一有效的通信工具，其理由是：等离子体中的电子在其平衡位置上以一个特征频率fp振动，且随电子密度Ne的增加而增高，当通信系统工作频率f大于fp时，等离子体可看作是低耗介质，电磁波可穿透等离子体。当飞行器重入大气层时，其周围浓密的等离子体的特征频率迅速增高达到光谱信号频率，普通通信系统的工作频率f将远小于此时的等离子振荡频率fp，通信信号迅速被等离子体的谐振吸收而迅速衰减，造成通

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