太赫茲技術發展綜述（上）

中國船舶重工集團公司第七一四研究所

周智偉

20世紀80年代以來，隨著一系列新技術、新材料的發展，特別是超快技術的發展，寬帶穩定脈沖太赫茲源逐漸普及，推動了太赫茲技術的迅速發展，并掀起一股太赫茲研究熱潮。2004年，美國麻省理工學院評出了“改變未來世界的十大技術”，太赫茲技術是其中之一；2005年，日本政府列出了“國家支柱十大重點戰略技術”，太赫茲技術名列榜首；歐洲、澳大利亞等國政府、研究機構、大學、企業紛紛投入太赫茲技術研發的熱潮中。

太赫茲技術概述

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，介于微波與紅外光之間。太赫茲波是20世紀80年代中后期才被正式命名的，此前統稱為遠紅外射線。

太赫茲波處于電子學與光子學的中間過渡區域，具有獨特的優勢：

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

（2）相比紅外光，太赫茲波的透射性強，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。大多數分子的分子振動和轉動頻率都處在太赫茲頻段，因此利用太赫茲波與分子共振，可以有效識別不同的物質組成和含量，太赫茲波在危險品探測、物質識別、醫學檢測等領域具有一定應用潛力。

（4）光子能量低，生物兼容性好。1THz電磁波的光子能量為4.14meV，遠低于可見光、紫外光，是X射線的數百萬分之一，不會產生電離輻射。低功率太赫茲波可直接照射生物組織而不產生傷害。

二 太赫茲基礎技術發展現狀

太赫茲基礎技術主要研究如何產生、探測和控制太赫茲波，包括產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聯激光器、真空太赫茲器件、加速器太赫茲源等。

1.量子級聯激光器

量子級聯激光器是利用Ⅲ-V族超晶格材料開發的緊湊型半導體光源，最初用于產生中紅外波，自2002年起，開始應用于太赫茲頻段。目前，量子級聯激光器在1～5THz范圍內具有優異的性能，也是唯一在該頻段具有高輸出功率的緊湊型光源，可產生功率大于1W的激光，用于遠場傳輸、頻率梳和脈沖發射等。盡管量子級聯激光器的運行需要低溫冷卻，但可以用低成本的斯特林冷卻器實現。

2.真空太赫茲器件

真空太赫茲器件可將儲存的電能轉化為加速電子束的動能，借助交互區的電磁波導或空腔將動能轉換成電磁場能，主要類型包括行波管、速調管、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。未來瓦級真空太赫茲器件的發展趨勢為能夠克服大氣衰減，穿透霧、灰塵或其他氣溶膠，實現千兆移動網絡通信、高分辨率雷達成像、非侵入性醫療診斷、材料表征、射電天文學研究等。

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生的相對論電子，產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點是具有獨特的光譜亮度、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、生命科學等領域，如研究稀釋系統或單個分子的紅外光譜。

（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特性（如光源功率、系統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都嚴重依賴太赫茲源的功率和探測器的響應度。

時域成像系統主要使用光電導開關或硒化鋅晶體等對短脈沖進行高速整流，該成像系統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間比較長，需要進一步發展。

標量成像系統的構建相對簡單，但對太赫茲源的功率要求較高。對于1THz以下的成像系統，可使用真空電子器件產生連續太赫茲波，如Gunn振蕩器、返波管和二極管倍增源。而在中紅外波段，量子級聯激光器具有優異的性能，但需要冷卻，并且只能發射脈沖。

太赫茲探測器的主要發展方向是改善噪聲等效功率、響應度，提高其集成潛力。

（三）光電導裝置

光電導開關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80年代起，光電導開關就廣泛應用于太赫茲時域光譜測量中。經過多年發展，原始半導體硅-藍寶石光電導開關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開關正在快速發展，為太赫茲時域光譜測量提供低成本、便攜式、穩定可靠的超短脈沖源。目前，單個半導體納米粒子已用于制造光電導檢測器，有望使微米和納米電路與光學系統集成。當前基于光電導器件的太赫茲時域光譜系統的動態范圍已經達到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，太赫茲波導無需光學對準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由3類材料制造：全金屬、金屬-電介質和全 電介質。金屬管波導已經存在了一個多世紀，但直到2016年，國際標準化組織才同意金屬管波導在0.1THz頻率以上運行，而IEEE P1785工作組則提出了高達5THz的標準。金屬-電介質矩形/圓形波導的概念于1963年提出，目前由低損耗電介質材料制成的波導，在0.15THz時的損耗低至0.0037dB/m，由高損耗電介質材料制成的波導，在0.3THz時的損耗低于1dB/m。全電介質波導雖然避免了趨膚效應損耗，但絕緣效果較差。

傳統的光學元件也可用于太赫茲頻段，但此頻段的器件性能遠低于傳統頻段的器件性能。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，已有使用異質材料制造太赫茲偏振器的相關研究，如液晶和碳納米管，其消光比可達50dB。波片是一種控制偏振的常用光學元件，最近，有研究利用堆疊波導結構制造了在2.0～3.1THz工作的寬帶波片。濾波片是光譜應用的重要元件，金屬網濾波片已可用于毫米波段，正在向太赫茲頻段延伸。

三 太赫茲應用技術 發展現狀

太赫茲應用技術的研究方向主要包括頻譜應用、成像應用、通信應用，這些應用在國防安全領域也有潛在應用價值。

（一）太赫茲頻譜應用

1.時域頻譜測量

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

2.表征半導體和納米結構

在激光源太赫茲時域頻譜技術誕生后，有研究將其用于半導體和納米結構的表征。2000年，有研究人員發表了利用太赫茲波以非接觸方式在非皮秒時間尺度上測量砷化鎵瞬態光電導率的成果。目前，由光電導天線制成的具有亞皮秒時間分辨率的非接觸式探頭，已可在10～100fs時間尺度內，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象。

3.無損檢測和分子光譜

太赫茲波對半導體、聚合物、陶瓷及其復合材料具有較強的穿透能力，可用于無接觸檢測，且太赫茲波光子能量低，不會對材料造成影響，這種測量是無損的。在工業和科學研究領域，使用太赫茲光譜可以在遠場獲得數百微米級空間分辨率的圖像，探究物體內部結構。太赫茲時域光譜檢測已經應用在電子、制藥、催化、食品、復合材料、藝術品保護及汽車等領域，實現了非破壞性檢測。

（二）太赫茲成像應用

1.顯微成像

太赫茲頻帶是許多凝聚態物質的低能量激發能級對應頻帶，包括等離子激元、聲子、磁子和誘導能隙。利用時間分辨太赫茲顯微成像系統可以研究納米系統的瞬態行為。然而，太赫茲顯微成像系統的空間分辨率有限，只能測量納米系統的整體復數電導率，需要建模分析單個納米結構、形狀的相關局部效應。

近期，具有單個相干光子靈敏度的超寬帶電光采樣技術開始用于近場太赫茲顯微鏡，將太赫茲光譜成像系統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尺度的納米結構進行了成像。

2.生物成像

太赫茲波可與生物分子共振，并且幾乎不會損傷生物組織，實現活體成像。

太赫茲生物成像主要有兩方面應用：在分子水平，主要是利用太赫茲波激發生物分子振動，檢測分子動作；在生物組織水平，主要是利用生物組織和細胞的不同成分對太赫茲波的吸收率不同來進行組織或細胞成像。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.醫療診斷

太赫茲波在醫療診斷領域的應用是依靠不同含水量的組織對太赫茲波的吸收不同實現的。觀察人體組織的太赫茲透射圖像，并依據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公司開發了一種便攜式液體太赫茲成像系統，被劍橋醫院皮膚科診所用于診斷皮膚癌。目前，太赫茲成像技術已經在乳腺癌、結腸癌、燒傷和角膜水化等領域獲得了驗證，并已開展工程設計。

（三）太赫茲通信應用

隨著世界范圍內無線數據業務呈指數級增長，60GHz頻帶已經獲得各國重視，而對于更高容量的無線數據系統，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下實現48Gbit/s的雙通道多輸入多輸出實時通信。近期，有研究利用下變頻技術在多頻帶亞太赫茲通信系統中實現了10048Gbit/s的下行通信速率，以及1048Gbit/s的上行通信速率。

（四）在國防安全領域的應用

太赫茲頻譜系統、成像系統、通信系統在國防安全領域也得到了廣泛應用。

在0.15THz以上運行的成像系統可用于檢查點的篩選、情報收集、人體掃描等。太赫茲波可以被許多有機分子吸收及被導電材料反射，用低功率太赫茲波直接非接觸掃描人體，能發現人員隨身攜帶的隱藏違禁物品，如毒品、炸藥、槍械等，且不會對人體產生任何損傷。目前在0.15THz、0.34THz、0.68THz頻帶已經獲得了大量成像結果，驗證了太赫茲安檢系統的可用性。歐洲隱藏物體實時成像團隊正在研發太赫茲成像安檢儀。

太赫茲波與磷化銦集成電路結合，可制造0.85THz及以上的雷達、通信系統。目前，關注度較高的研究是使用0.23THz雷達系統透過退化大氣環境進行成像，用于在燈火管制下著陸直升機，或飛機透過低空云瞄準目標。此外，太赫茲波具有比微波更寬的頻譜、更高的時間檢測精度和分辨率，可對隱身目標成像。常用雷達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，哥倫比亞號航天飛機失事后，美國采用中心頻率為1THz的太赫茲波對航天飛機的絕熱泡沫層進行探測和成像，成功檢測出泡沫層內的缺陷。該技術在戰略導彈、航空航天結構材料檢測和評估方面具有重要的應用價值，已被美國國家航空航天局（NASA）選擇為缺陷檢測技術之一。洛克希德·馬丁公司也開發了太赫茲檢測系統，用以保障F-35戰斗機的生產質量。（未完待續）