太赫茲技術空間應用研究探討

林栩凌 阮寧娟 周 峰

（北京空間機電研究所，北京 100076）

1 引言

太赫茲輻射（太赫茲波，T射線）通常是指頻率介于300GHz～10THz（1THz=1012Hz）、波長在33～1 000μm之間的電磁輻射，從頻率上看，該波段位于毫米波和紅外輻射之間。太赫茲的命名來源于它的振蕩頻率在1012Hz左右。在電子學領域里，這一頻段的電磁波又被稱為亞毫米波。在光譜學領域，它也被稱為遠紅外。在20世紀80年代中期以前，由于缺乏有效的產生方法和檢測手段，科學家對于該波段的電磁輻射性質了解非常有限。近年來由于自由電子激光器和超快技術的發展，為太赫茲脈沖的產生提供了穩定、可靠的激發光源和探測手段，使太赫茲科學技術有了飛速的發展[1-3]。

由于太赫茲波具有穿透性、安全性、寬帶性、瞬態性、相干性等特點，并且許多小分子的轉動躍遷和大分子的集體振動躍遷都會在這個波段范圍產生明顯的特征吸收峰，所以近年來太赫茲波在成像、安檢、生物分子檢測、化學過程研究等領域的應用引起了人們極大的興趣。然而，真正促進太赫茲技術蓬勃發展的需求動力是人們渴望通過新的電磁波觀察和探索宇宙和地球。宇宙中太赫茲波段的信息資源占據了總信息量的一半以上，因此可以利用太赫茲對行星和小星體（小行星、衛星和彗星）進行觀測，了解它們大氣動力學以及它們的大氣成分，進而能夠推測太陽系、銀河系或其它星體的形成原因和演化過程。另外，太赫茲也是探測月球和火星上是否存在水的有力工具之一。此外，高層大氣中也有很強的天然太赫茲源，如羥基、氯化氫和水，根據從高層大氣中所得到的太赫茲信息可以了解支配臭氧循環、全球變暖的化學過程，進而為全球變暖提供有價值的信息。

本文在分析太赫茲波特性的基礎上，介紹了國內外太赫茲技術空間應用的發展歷史，并對我國太赫茲空間技術發展趨勢作出了展望。

2 太赫茲空間技術國際研究發展概述

太赫茲之所以引起人們濃厚的研究興趣，并不僅僅因為它具有瞬態性、相干性等特性，更重要的是它與微波及紅外遙感相比具有許多優勢：1）與微波相似，太赫茲同樣具有能穿透云層等特點，但是太赫茲波的頻率更高，因此在作為通信載體時，單位時間內可以承載更多的信息，在中短距離高容量無限通信中很有潛力；由于太赫茲波的波長更短，它的發射方向性要好于微波；在成像應用中，它較之微波的短波長使其具有更高的空間分辨率，或者在保持同等空間分辨率時具有更長的景深；再者，由于波長較微波短，所以探測器件的尺寸和質量要遠小于微波器件，適合于衛星和空間站搭載。2）與紅外光對比，太赫茲散射小，透過性強，能夠穿透風塵、沙暴和煙云，可實現全天候工作；此外由于太赫茲光子的能量很小，因此相對于紅外光，它的安全性較好。

目前，國際上有130多個研究組從事有關太赫茲科學技術的研究工作。太赫茲技術在空間研究領域的應用主要圍繞幾個大的空間和天文研究計劃課題進行，例如平流層紅外天文觀察項目SOFIA（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy）、亞毫米級波長上的射電望遠鏡項目ALMA（Atacama Large Millimeter Array）、“赫歇爾”太空望遠鏡項目（Herschel）等。

2.1 美國的研究進展

1983 年，由NASA發射的IRAS紅外天文衛星獲得了許多有關宇宙的重要信息，并確認許多星系中50%以上的發光度和98%以上的光子處于遠紅外和太赫茲波段[4]。20世紀90年代后，由于太赫茲波外差探測方式的發展，使得高分辨率、高靈敏度太赫茲測量成為可能。最著名的是1991年NASA發射的大氣上層觀測衛星UARS，UARS上搭載了微波臨邊探測器（MLS），探測器3個輻射計的觀察波段中心頻率分別為63GHz、183GHz和205GHz，探測器用外差高分辨率太赫茲譜線測量方式，第一次測量了同溫層中的臭氧、水分等分子含量隨大氣壓力變化的輪廓。圖1是1991年11月4日～5日，UARS衛星上搭載MLS測量得到的同溫層中的臭氧、水分子含量隨大氣壓力變化圖。

圖1 MLS測量的同溫層中臭氧、水分子含量隨大氣壓力變化Fig.1 MLS maps of stratospheric water vapor and ozone

1998年美國發射的太赫茲波人造天文衛星（Submillimeter Wave Astronomy Satellite，SWAS）攜帶了冷卻到170K的肖特基混頻外差接收系統。這是NASA研究恒星結構及星際化學物質的小型衛星，主要用途是尋找宇宙星云間的氧、水、碳及一氧化碳分子。

美國另一個十分重要的太赫茲探測衛星是由NASA在2004年7月15日發射升空的“氣味”（AURA）衛星。AURA衛星是對地觀測系統 （EOS）中最重要的組成部分，它攜帶了更為先進的外差式太赫茲探測器MLS，探測器上5個輻射計的觀察波段中心頻率分別為118GHz、119GHz、240GHz、640GHz和2.5THz。中間三個頻率的測量使用常溫的耿式振蕩器作為本振源，由肖特基二極管進行差頻轉換。而作為標志性的首次THz頻率探測（2.5THz通道）使用了遠紅外激光作為本地振蕩源。遠紅外激光器為CO2激光器抽運的甲醇蒸汽氣體激光器，由Coherent公司生產，激光輸出頻率為2 522GHz，功率20mW。AURA上搭載的MLS與UARS 上搭載的 MLS 相比，可以測量更多的大氣成分（如：OH，HO2，O3，HCl，CIO，HOCl，BrO，HNO3，N2O，CO，HCN，CH3CN，SO2等）及云中的含汽量、大氣溫度以及高層大氣中的污染物質。這一THz波段的探測器極大增進了對臭氧層、大氣組分和氣候變化關系的理解[5]。表1列出了AURA衛星上MLS各個輻射計頻率及其探測的種類。

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2.2 歐洲的研究進展

2001 年，歐洲的瑞典、法國、芬蘭等國聯合發射了Odin太赫茲波段衛星，用于天文及高層大氣研究[6]。大氣觀察高度范圍為15～120km，Odin衛星攜帶了4個亞毫米波段的輻射計，每個輻射計的觀察頻率范圍以及探測的物質種類如表2所示，

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2004 年，ESA發射了羅塞塔（Rosetta）人造飛行器，工作頻率為188GHz和560GHz，該飛行器將于2014年夏天飛行到彗星Churyumov Gerasimenko上，探測彗尾和彗核中存在的一氧化碳、氨、甲醇等物質的含量[7]。

由歐洲合作研制的氣球運載大氣監測儀TELIS在2007年進行了測試飛行。TELIS搭載了高靈敏度的低溫（4K）超導外差式探測器，系統包括一個500GHz接收器，一個500～650GHz接收器以及一個1.8THz接收器，可以探測的物質包括 O3，ClO，BrO，N2O，HCl，HNO3，CH3Cl，HOCl以及 OH 與 H2O。

2009華5 月14 日，ESA的“赫歇爾”（Herschel）太空望遠鏡在法屬圭亞那的歐洲空間局太空中心被“阿麗亞娜5”型火箭送入太空。這是第一個工作在紅外及亞毫米波波段的冷宇宙天文衛星，也是迄今為止口徑最大的紅外太空望遠鏡，它工作在55～672μm（0.45～5.5THz）的從遠紅外到亞毫米的光譜范圍中。它全長9m，直徑4.5m，質量達3.3t，主鏡口徑3.5m。Herschel主要探測儀器包括PACS和SPIRE兩個紅外波段的輻射熱計及HIFI太赫茲外差接收裝置。HIFI為高分辨外差分光計，結合使用SIS探測器（bands5；480GHz～1.25THz）與熱電子輻射熱計（Hot Electron Bolometer，HEB）（bands6～7；1.4～1.9THz和 2.4～2.7THz）進行混頻。 Herschel將有望揭開早期宇宙的真面目，其考察目標包括：研究早期宇宙中星系的形成和演化；考察恒星是如何形成和演化的，以及它們與星際介質的相互聯系；探測銀河系的化學成分，行星、彗星及衛星的表面和大氣的分子化學；考察宇宙的分子化學。

2.3 亞洲的研究進展

2005年1 月8 日，日本宣布10年科技戰略規劃，把太赫茲研究項目列為十大國家支柱技術戰略目標的首位。日本的東京大學、京都大學、大阪大學、東北大學、福田大學以及SLLSC、NTT等公司也都大力開展了太赫茲的研究與開發工作。

2009年9 月11 日，日本為國際空間站日本艙研制的亞毫米臨邊探測器JEM/SMILES發射升空。JEM/SMILES使用了最新研發的液氦冷卻SIS（Superconductor Insulator Superconductor）探測器，JEM/SMILES將對地球大氣成分如 O3，H35Cl，H37Cl，ClO，BrO，HOCl，HO2，HNO3，CH3CN 及 O3同位素進行觀測。 JEM/SMILES 是第一個利用超導外差探測器進行地球觀測的太赫茲計劃，與美國及歐洲之前發射的Aura MLS以及Odin相比，JEM/SMILES具有更高的探測靈敏度[8]。表3具體列出了JEM/SMILES不同高度測量的不同種類的物質。

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2.4 國際合作項目研究進展

由歐美等國聯合研制的單孔遠紅外太赫茲太空望遠鏡（SAFIR）計劃用于太空觀察，研究宇宙中銀河系、行星等最初的演變。SAFIR預計于2015～2020年發射，觀察波長范圍從40μm～1mm，采用低溫工作的SIS或HEB探測器進行混頻完成外差式接收，并使用THz激光作為本機振蕩器。SAFIR的探測精度已經接近遠紅外、亞毫米波段輻射的極限，具有極高的探測靈敏度。

美國NASA和德國航空航天中心 （DLR）的合作項目SOFIA（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy），SOFIA的主要設備是一個工作在紅外和太赫茲波段的望遠鏡。因具備高分辨率，SOFIA可以測量小行星數據，拍攝行星大氣結構，并可以像前任柯伊伯機載天文臺那樣，通過掩星研究類木行星環系。SOFIA還可以單獨觀測某顆原恒星，幫助人們了解其組成、結構、質量和周邊環境等特性，進一步了解恒星演化的圖景。此外，星際介質的輻射集中在中遠紅外和亞毫米波段，SOFIA的工作波段可滿足研究星際介質連續譜輻射和譜線的要求。SOFIA于2009年12月進行了首次試飛行，并在2010年進行了一系列的優化飛行試驗。

2003年11 月6 日，來自北美、歐洲和智利的一些科學家和社會名流啟動了世界上最大的、最靈敏的操作在亞毫米級波長上的射電望遠鏡項目ALMA（Atacama Large Millimeter Array）。ALMA大型毫米級射電天文望遠鏡組將成為世界上首屈一指的天文觀測儀器。它由64個高精度天線組成，這些天線分布于智利安第斯山脈的查南托高原。查南托高原位于智利的阿塔卡瑪沙漠的圣佩德羅地區，該地區海拔在5 000m以上。ALMA的主要功能是以高清晰度和超高空間分辨率對宇宙的神秘莫測的冷區域進行觀測和成像，它能夠提供 HST望遠鏡 （Hubble Space Telescope）、VLT望遠鏡 （Very Large Telescope）、JWST望遠鏡 （James Webb Space Telescope）及SKA（Square Kilometer Array）所不能具備的天體物理前沿研究手段。

2.5 我國太赫茲技術空間應用進展

國內政府機構和各科研院校對太赫茲科學技術給予了高度關注。特別是2005年以太赫茲科學技術為主題的第270次香山科學會議的召開，極大推動了我國太赫茲科學技術的研究。國家科技部、國家自然科學基金委員會等對太赫茲研究也給予了一定的支持，有關太赫茲研究已列入國家973計劃、國家863計劃，這為今后我國THz研究打下了堅實的基礎。此外，針對國際上的研究瓶頸問題，我國在太赫茲源、探測、成像應用以及傳輸等領域的理論和實驗研究上已逐步形成自己的研究特色，并取得了一些重要成果。

自1996年起，中科院上海微系統與信息技術研究所和上海交通大學在國內較早地開展了太赫茲物理與器件方面的研究工作。在國際上率先成功發展了太赫茲輻照下的半導體輸運平衡方程，深人細致地研究了太赫茲輻射與半導體微結構的相互作用規律，對THz-QCL的基本科學問題也進行了深入細致的研究，并與加拿大科學家合作研制了THz-QCL原型器件。

天津大學在基于超晶格材料光學拉曼散射、參量振蕩、差頻等二階、三階非線性效應產生太赫茲輻射研究上取得階段性成果，實現了1.5～2.7THz可調諧相干太赫茲源，同時還在超晶格材料非共線、差頻側面輸出理論方面進行了研究，為提高差頻效率奠定了基礎。

中科院西安光學精密機械研究所也開展了基于光學技術的大功率太赫茲源研究，主要包括：研制了集成太赫茲發射器和可飽和布拉格反射器（SBR）的腔內型THz-IR雙色輻射源；利用光參量差頻技術產生大功率的太赫茲輻射，以及基于全光纖激光器的太赫茲產生技術；開展了光激半導體量子結構中的太赫茲動力學過程研究。

中科院物理所于20世紀90年代初期就建立了國內第一臺時域光譜測量系統。近年來，在超強太赫茲脈沖的產生、太赫茲脈沖的傳播和太赫茲波在瞬態光譜分析中的應用等方面，開展了卓有成效的研究工作。

中科院紫金山天文臺和南京大學是我國開展超導探測技術研究的兩個主要單位。中科院紫金山天文臺是我國開展毫米波、亞毫米波天文學研究的主要單位之一，目前負責運行我國唯一的毫米波望遠鏡（青海，13.7m）和亞毫米波望遠鏡（Portable Submillimeter Telescope，POST）；研制的ALMA第八波段超導SIS混頻器性能達到國際領先水平，第十波段的工作也于2005年底取得實破進展，并在國內首先開展了超導HEB熱電子混頻研究工作，在國際上率先實現了4K閉環制冷方式的超導HEB熱電子混頻研究，在1THz頻段內的研究水平與國際上其它研究小組取得的結果相當。

基于自由電子激光（FEL）的太赫茲源研究工作己在中科院上海應用物理所、中國工程物理研究院和電子科技大學進行，并取得一定的成果。

中國空間技術研究院在“十一五”開展了國防重點項目“空間太赫茲應用技術”等課題研究，由于起點要求高，目前與國外差距不是很大。此外作為空間系統總體單位，中國空間技術研究院與高等院校緊密結合，開展核心技術攻關，有望通過衛星搭載在太赫茲空間遙感技術方面作出成績。

3 太赫茲技術空間應用展望

國際上太赫茲技術在空間領域的應用研究主要圍繞幾個大的空間和天文研究計劃課題進行，例如AURA、SOFIA、ALMA、Herschel、TELIS、SMILES等，歸根結底都是圍繞著太赫茲的產生和探測來進行的。為此我國在開展太赫茲空間技術研究時需要著重考慮以下幾個方面：

（1）太赫茲理論研究

太赫茲的理論研究還比較薄弱，在研究太赫茲技術空間應用的同時，需要對其理論機制做更深的了解，目前，人們尚未能從理論方面對其進行嚴格的推導或計算，還需對其進行解釋和研究。

（2）太赫茲波源研究

開展適用于空間技術的太赫茲源研究。太赫茲波的產生和檢測是太赫茲科學技術研究中的重點和難點。缺少高功率、低造價和便攜式的室溫太赫茲光源是限制太赫茲成像以及太赫茲雷達等高新技術發展的最主要因素，同時也是限制太赫茲技術在空間中應用的關鍵因素之一。

（3）太赫茲波探測

開展高靈敏度超導探測器技術研究。目前，我國在太赫茲波段的探測器研究才剛剛起步，與歐美等國的差距很大，高靈敏度太赫茲探測器的研制對于開展太赫茲空間技術研究尤為重要。

（4）數據處理與圖像識別技術

開展寬帶高分辨率數字信號處理技術研究。現有的太赫茲系統設備的信息處理過程很復雜，目前太赫茲波圖像分析的關鍵在于提高分析速度、改善太赫茲波系統的性能和可用性。為了提高觀測速度，要求處理帶寬盡量大，同時處理算法分辨率盡量高。此外，如果研究的目標尺寸太大，對成像造成困難，同時目標表面漫散射，使得目標結構變得更為復雜，因此需要通過建模及計算完成圖像的識別。

此外，考慮到目前國內外太赫茲技術的發展水平和太赫茲波段的特性，在航天遙感領域的應用應該主要在被動式探測方面對空間天體進行探測；考慮到地球大氣對太赫茲波段的吸收，以探測大氣環境為主；在通訊應用方面，可以考慮隱蔽通訊的可能。

4 結束語

由于太赫茲處于電磁波譜的特殊位置，使其具有極其重要的學術價值，并已在一些重要的研究領域顯示出其獨特優越性，太赫茲科學技術已成為科學研究的熱門課題之一。本文介紹了太赫茲技術空間應用的國內外研究發展狀況，并結合我國實際情況提出了我國發展太赫茲空間技術需要著重解決的幾個問題。

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