太赫茲技術(shù)發(fā)展綜述（上）

中國船舶重工集團(tuán)公司第七一四研究所

周智偉

20世紀(jì)80年代以來，隨著一系列新技術(shù)、新材料的發(fā)展，特別是超快技術(shù)的發(fā)展，寬帶穩(wěn)定脈沖太赫茲源逐漸普及，推動(dòng)了太赫茲技術(shù)的迅速發(fā)展，并掀起一股太赫茲研究熱潮。2004年，美國麻省理工學(xué)院評出了“改變未來世界的十大技術(shù)”，太赫茲技術(shù)是其中之一；2005年，日本政府列出了“國家支柱十大重點(diǎn)戰(zhàn)略技術(shù)”，太赫茲技術(shù)名列榜首；歐洲、澳大利亞等國政府、研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)、企業(yè)紛紛投入太赫茲技術(shù)研發(fā)的熱潮中。

太赫茲技術(shù)概述

太赫茲波指頻率在0.1THz（1012Hz）～10THz范圍的電磁波（也有0.3～10THz的說法），波長大概在0.03～3mm范圍內(nèi)，介于微波與紅外光之間。太赫茲波是20世紀(jì)80年代中后期才被正式命名的，此前統(tǒng)稱為遠(yuǎn)紅外射線。

太赫茲波處于電子學(xué)與光子學(xué)的中間過渡區(qū)域，具有獨(dú)特的優(yōu)勢：

（1）相比微波，太赫茲波的頻率高、帶寬大、波束發(fā)散角小，可以承載更高頻率的調(diào)制信號(hào)，大幅提高通信速率、雷達(dá)分辨率。

（2）相比紅外光，太赫茲波的透射性強(qiáng)，對大部分干燥、非金屬、非極性材料都有較好的穿透能力，可進(jìn)行透視成像、無損探測，以及在較惡劣氣象條件下成像等。

（3）頻譜“指紋”特性。大多數(shù)分子的分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)頻率都處在太赫茲頻段，因此利用太赫茲波與分子共振，可以有效識(shí)別不同的物質(zhì)組成和含量，太赫茲波在危險(xiǎn)品探測、物質(zhì)識(shí)別、醫(yī)學(xué)檢測等領(lǐng)域具有一定應(yīng)用潛力。

（4）光子能量低，生物兼容性好。1THz電磁波的光子能量為4.14meV，遠(yuǎn)低于可見光、紫外光，是X射線的數(shù)百萬分之一，不會(huì)產(chǎn)生電離輻射。低功率太赫茲波可直接照射生物組織而不產(chǎn)生傷害。

二 太赫茲基礎(chǔ)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

太赫茲基礎(chǔ)技術(shù)主要研究如何產(chǎn)生、探測和控制太赫茲波，包括產(chǎn)生太赫茲波的太赫茲源、探測太赫茲波的各類探測器、傳輸/調(diào)制太赫茲的各種器件等。

（一）太赫茲源

目前太赫茲源主要有量子級(jí)聯(lián)激光器、真空太赫茲器件、加速器太赫茲源等。

1.量子級(jí)聯(lián)激光器

量子級(jí)聯(lián)激光器是利用Ⅲ-V族超晶格材料開發(fā)的緊湊型半導(dǎo)體光源，最初用于產(chǎn)生中紅外波，自2002年起，開始應(yīng)用于太赫茲頻段。目前，量子級(jí)聯(lián)激光器在1～5THz范圍內(nèi)具有優(yōu)異的性能，也是唯一在該頻段具有高輸出功率的緊湊型光源，可產(chǎn)生功率大于1W的激光，用于遠(yuǎn)場傳輸、頻率梳和脈沖發(fā)射等。盡管量子級(jí)聯(lián)激光器的運(yùn)行需要低溫冷卻，但可以用低成本的斯特林冷卻器實(shí)現(xiàn)。

2.真空太赫茲器件

真空太赫茲器件可將儲(chǔ)存的電能轉(zhuǎn)化為加速電子束的動(dòng)能，借助交互區(qū)的電磁波導(dǎo)或空腔將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電磁場能，主要類型包括行波管、速調(diào)管、磁控管和返波管等。由于功率密度的限制，真空太赫茲器件目前主要在0.22～1.0THz工作，功率為1MW～10mW。未來瓦級(jí)真空太赫茲器件的發(fā)展趨勢為能夠克服大氣衰減，穿透霧、灰塵或其他氣溶膠，實(shí)現(xiàn)千兆移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信、高分辨率雷達(dá)成像、非侵入性醫(yī)療診斷、材料表征、射電天文學(xué)研究等。

3.加速器太赫茲輻射源

加速器太赫茲輻射源主要利用電場或磁場作用于加速器產(chǎn)生的相對論電子，產(chǎn)生波長在真空紫外到X射線頻段的電磁波。加速器輻射源的主要優(yōu)點(diǎn)是具有獨(dú)特的光譜亮度、功率、極值場和脈沖能量。加速器太赫茲源已在全球范圍內(nèi)得到廣泛使用，最常用的是同步紅外輻射加速器和自由電子激光器。同步紅外輻射加速器是有限光譜測量和近場超寬帶顯微鏡的主要光源，而自由電子激光器主要用于化學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域，如研究稀釋系統(tǒng)或單個(gè)分子的紅外光譜。

（二）太赫茲成像探測器

太赫茲成像探測器包括單探測器、陣列和焦平面陣列成像探測器等。成像器件的整體性能由光學(xué)特性（如光源功率、系統(tǒng)損耗和探測器靈敏度）決定。無論采用哪種成像方法，所有太赫茲成像系統(tǒng)都嚴(yán)重依賴太赫茲源的功率和探測器的響應(yīng)度。

時(shí)域成像系統(tǒng)主要使用光電導(dǎo)開關(guān)或硒化鋅晶體等對短脈沖進(jìn)行高速整流，該成像系統(tǒng)具有較高的頻率帶寬，但其太赫茲源功率一般較低，雖可用同步檢測予以克服，但總體上圖像采集時(shí)間比較長，需要進(jìn)一步發(fā)展。

標(biāo)量成像系統(tǒng)的構(gòu)建相對簡單，但對太赫茲源的功率要求較高。對于1THz以下的成像系統(tǒng)，可使用真空電子器件產(chǎn)生連續(xù)太赫茲波，如Gunn振蕩器、返波管和二極管倍增源。而在中紅外波段，量子級(jí)聯(lián)激光器具有優(yōu)異的性能，但需要冷卻，并且只能發(fā)射脈沖。

太赫茲探測器的主要發(fā)展方向是改善噪聲等效功率、響應(yīng)度，提高其集成潛力。

（三）光電導(dǎo)裝置

光電導(dǎo)開關(guān)是一種既可以生成寬帶太赫茲波，又可以檢測寬帶太赫茲波的裝置。20世紀(jì)80年代起，光電導(dǎo)開關(guān)就廣泛應(yīng)用于太赫茲時(shí)域光譜測量中。經(jīng)過多年發(fā)展，原始半導(dǎo)體硅-藍(lán)寶石光電導(dǎo)開關(guān)已被低溫生長的砷化鎵（GaAs）替代，而銦鎵砷（InGaAs）和基于石墨烯的光電導(dǎo)開關(guān)正在快速發(fā)展，為太赫茲時(shí)域光譜測量提供低成本、便攜式、穩(wěn)定可靠的超短脈沖源。目前，單個(gè)半導(dǎo)體納米粒子已用于制造光電導(dǎo)檢測器，有望使微米和納米電路與光學(xué)系統(tǒng)集成。當(dāng)前基于光電導(dǎo)器件的太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍已經(jīng)達(dá)到90dB，典型頻譜覆蓋0.05THz、2～6THz之間。

（四）無源太赫茲器件

對于無源太赫茲器件，太赫茲波導(dǎo)無需光學(xué)對準(zhǔn)即可與太赫茲有源器件（太赫茲源、探測器等）集成，但損耗一般較大。用于太赫茲頻率的高性能波導(dǎo)由3類材料制造：全金屬、金屬-電介質(zhì)和全 電介質(zhì)。金屬管波導(dǎo)已經(jīng)存在了一個(gè)多世紀(jì)，但直到2016年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織才同意金屬管波導(dǎo)在0.1THz頻率以上運(yùn)行，而IEEE P1785工作組則提出了高達(dá)5THz的標(biāo)準(zhǔn)。金屬-電介質(zhì)矩形/圓形波導(dǎo)的概念于1963年提出，目前由低損耗電介質(zhì)材料制成的波導(dǎo)，在0.15THz時(shí)的損耗低至0.0037dB/m，由高損耗電介質(zhì)材料制成的波導(dǎo)，在0.3THz時(shí)的損耗低于1dB/m。全電介質(zhì)波導(dǎo)雖然避免了趨膚效應(yīng)損耗，但絕緣效果較差。

傳統(tǒng)的光學(xué)元件也可用于太赫茲頻段，但此頻段的器件性能遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)頻段的器件性能。例如，線柵偏振器是在太赫茲頻段工作的偏振器，但消光比較低，且元件成本高。近年來，已有使用異質(zhì)材料制造太赫茲偏振器的相關(guān)研究，如液晶和碳納米管，其消光比可達(dá)50dB。波片是一種控制偏振的常用光學(xué)元件，最近，有研究利用堆疊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)制造了在2.0～3.1THz工作的寬帶波片。濾波片是光譜應(yīng)用的重要元件，金屬網(wǎng)濾波片已可用于毫米波段，正在向太赫茲頻段延伸。

三 太赫茲應(yīng)用技術(shù) 發(fā)展現(xiàn)狀

太赫茲應(yīng)用技術(shù)的研究方向主要包括頻譜應(yīng)用、成像應(yīng)用、通信應(yīng)用，這些應(yīng)用在國防安全領(lǐng)域也有潛在應(yīng)用價(jià)值。

（一）太赫茲頻譜應(yīng)用

1.時(shí)域頻譜測量

太赫茲時(shí)域頻譜技術(shù)是一種可同時(shí)獲取太赫茲脈沖與物質(zhì)相互作用的電場強(qiáng)度和位相信息的技術(shù)。經(jīng)處理后能夠精確地表征樣品的光學(xué)、電學(xué)和介電特性隨太赫茲頻率變化的特征。1988年,人類首次實(shí)現(xiàn)太赫茲時(shí)域頻譜測量，可測量樣品的透射率、折射率、吸收系數(shù)、介電常數(shù)等。20世紀(jì)90年代初，鎖模鈦藍(lán)寶石激光器被用于太赫茲時(shí)域頻譜技術(shù)，探測器也改為低溫生長的砷化鎵器件。這種太赫茲時(shí)域頻譜系統(tǒng)可對直徑幾厘米的物體進(jìn)行二維成像。在此基礎(chǔ)上，目前已經(jīng)發(fā)展出太赫茲斷層掃描和太赫茲近場/暗場/單像素成像系統(tǒng)。

2.表征半導(dǎo)體和納米結(jié)構(gòu)

在激光源太赫茲時(shí)域頻譜技術(shù)誕生后，有研究將其用于半導(dǎo)體和納米結(jié)構(gòu)的表征。2000年，有研究人員發(fā)表了利用太赫茲波以非接觸方式在非皮秒時(shí)間尺度上測量砷化鎵瞬態(tài)光電導(dǎo)率的成果。目前，由光電導(dǎo)天線制成的具有亞皮秒時(shí)間分辨率的非接觸式探頭，已可在10～100fs時(shí)間尺度內(nèi)，表征了砷化鎵中電子-空穴等離子體生成光子后的庫侖掩蔽和等離子激元散射現(xiàn)象。

3.無損檢測和分子光譜

太赫茲波對半導(dǎo)體、聚合物、陶瓷及其復(fù)合材料具有較強(qiáng)的穿透能力，可用于無接觸檢測，且太赫茲波光子能量低，不會(huì)對材料造成影響，這種測量是無損的。在工業(yè)和科學(xué)研究領(lǐng)域，使用太赫茲光譜可以在遠(yuǎn)場獲得數(shù)百微米級(jí)空間分辨率的圖像，探究物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。太赫茲時(shí)域光譜檢測已經(jīng)應(yīng)用在電子、制藥、催化、食品、復(fù)合材料、藝術(shù)品保護(hù)及汽車等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了非破壞性檢測。

（二）太赫茲成像應(yīng)用

1.顯微成像

太赫茲頻帶是許多凝聚態(tài)物質(zhì)的低能量激發(fā)能級(jí)對應(yīng)頻帶，包括等離子激元、聲子、磁子和誘導(dǎo)能隙。利用時(shí)間分辨太赫茲顯微成像系統(tǒng)可以研究納米系統(tǒng)的瞬態(tài)行為。然而，太赫茲顯微成像系統(tǒng)的空間分辨率有限，只能測量納米系統(tǒng)的整體復(fù)數(shù)電導(dǎo)率，需要建模分析單個(gè)納米結(jié)構(gòu)、形狀的相關(guān)局部效應(yīng)。

近期，具有單個(gè)相干光子靈敏度的超寬帶電光采樣技術(shù)開始用于近場太赫茲顯微鏡，將太赫茲光譜成像系統(tǒng)的空間分辨率提高到亞納米粒子尺度。此外，太赫茲掃描隧道顯微鏡也取得了一定發(fā)展。這種顯微鏡兼具高空間分辨率和超快速成像能力，在首次演示中，對大約2nm尺度的納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行了成像。

2.生物成像

太赫茲波可與生物分子共振，并且?guī)缀醪粫?huì)損傷生物組織，實(shí)現(xiàn)活體成像。

太赫茲生物成像主要有兩方面應(yīng)用：在分子水平，主要是利用太赫茲波激發(fā)生物分子振動(dòng)，檢測分子動(dòng)作；在生物組織水平，主要是利用生物組織和細(xì)胞的不同成分對太赫茲波的吸收率不同來進(jìn)行組織或細(xì)胞成像。這種圖像的灰度變化反映了組織的不同介電特性，可用于分辨疾病或損傷組織。

3.醫(yī)療診斷

太赫茲波在醫(yī)療診斷領(lǐng)域的應(yīng)用是依靠不同含水量的組織對太赫茲波的吸收不同實(shí)現(xiàn)的。觀察人體組織的太赫茲透射圖像，并依據(jù)不同組織含水量的差別來分辨正常組織和病變組織。例如，英國TeraView公司開發(fā)了一種便攜式液體太赫茲成像系統(tǒng)，被劍橋醫(yī)院皮膚科診所用于診斷皮膚癌。目前，太赫茲成像技術(shù)已經(jīng)在乳腺癌、結(jié)腸癌、燒傷和角膜水化等領(lǐng)域獲得了驗(yàn)證，并已開展工程設(shè)計(jì)。

（三）太赫茲通信應(yīng)用

隨著世界范圍內(nèi)無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)呈指數(shù)級(jí)增長，60GHz頻帶已經(jīng)獲得各國重視，而對于更高容量的無線數(shù)據(jù)系統(tǒng)，研究人員正在研究太赫茲通信頻段（0.1～10THz）的可用帶寬。目前，已有研究展示了W波段（75～95GHz）和100GHz以上頻段的太赫茲通信。利用直接檢測肖特基勢壘二極管，可在0.3THz下實(shí)現(xiàn)48Gbit/s的雙通道多輸入多輸出實(shí)時(shí)通信。近期，有研究利用下變頻技術(shù)在多頻帶亞太赫茲通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了10048Gbit/s的下行通信速率，以及1048Gbit/s的上行通信速率。

（四）在國防安全領(lǐng)域的應(yīng)用

太赫茲頻譜系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、通信系統(tǒng)在國防安全領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。

在0.15THz以上運(yùn)行的成像系統(tǒng)可用于檢查點(diǎn)的篩選、情報(bào)收集、人體掃描等。太赫茲波可以被許多有機(jī)分子吸收及被導(dǎo)電材料反射，用低功率太赫茲波直接非接觸掃描人體，能發(fā)現(xiàn)人員隨身攜帶的隱藏違禁物品，如毒品、炸藥、槍械等，且不會(huì)對人體產(chǎn)生任何損傷。目前在0.15THz、0.34THz、0.68THz頻帶已經(jīng)獲得了大量成像結(jié)果，驗(yàn)證了太赫茲安檢系統(tǒng)的可用性。歐洲隱藏物體實(shí)時(shí)成像團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)太赫茲成像安檢儀。

太赫茲波與磷化銦集成電路結(jié)合，可制造0.85THz及以上的雷達(dá)、通信系統(tǒng)。目前，關(guān)注度較高的研究是使用0.23THz雷達(dá)系統(tǒng)透過退化大氣環(huán)境進(jìn)行成像，用于在燈火管制下著陸直升機(jī)，或飛機(jī)透過低空云瞄準(zhǔn)目標(biāo)。此外，太赫茲波具有比微波更寬的頻譜、更高的時(shí)間檢測精度和分辨率，可對隱身目標(biāo)成像。常用雷達(dá)吸波隱身材料只能吸收較有限帶寬的電磁波，而太赫茲雷達(dá)的寬帶特性能夠使隱身吸波涂層失去作用。

此外，太赫茲波還可用于裝備的無損探測。例如，哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)失事后，美國采用中心頻率為1THz的太赫茲波對航天飛機(jī)的絕熱泡沫層進(jìn)行探測和成像，成功檢測出泡沫層內(nèi)的缺陷。該技術(shù)在戰(zhàn)略導(dǎo)彈、航空航天結(jié)構(gòu)材料檢測和評估方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值，已被美國國家航空航天局（NASA）選擇為缺陷檢測技術(shù)之一。洛克希德·馬丁公司也開發(fā)了太赫茲檢測系統(tǒng)，用以保障F-35戰(zhàn)斗機(jī)的生產(chǎn)質(zhì)量。（未完待續(xù)）