太赫兹技术及其在研究领域的应用

太赫兹技术及其在研究领域的应用摘要：简要介绍了太赫兹技术的国内外发展状况，由于太赫兹波在电磁波谱中的特殊位置，其表现出优越的特性，太赫兹科学技术已成为本世纪最为重要的科技问题之一。通过对太赫兹基础研究领域的分析，阐明了太赫兹波的作用机理及相关器件的发展。太赫兹技术在成像、通讯、航空及生物医药等领域有着广阔的应用前景。随着技术理论的不断发展及成熟，太赫兹技术必将对国民经济和国家安全产生重大影响。关键词：太赫兹；太赫兹技术；基础研究；太赫兹应用TerahertztechnologyanditsapplicationsinresearchfieldAbstract：ThedevelopmentofTerahertztechnologyathomeandabroadisbrieflysummarized,andthespecialpositionofTHzwaveinelectromagneticspectrum,itshowsthesuperiorcharacteristic.SoTerahertzScienceandtechnologyhasbecomeoneofthemostimportantscientificandtechnologicalproblemsinthiscentury.ThroughtheanalysisoftheTHzbasicresearchfield,themechanismofTHzwaveandthedevelopmentoftherelateddevicesareelucidated.THztechnologyhasbroadapplicationinimaging,communications,aviationandbiomedicalandotherfields.Withthedevelopmentoftechnologytheory,THztechnologywillhaveagreatimpactonnationaleconomyandnationalsecurity.Keywords：Terahertz;Terahertztechnology;basicresearch;Terahertzapplication0引言随着现代科学技术的迅猛发展、各国之间科技竞争的加剧及社会信息化进程的不断加快，高新技术越来越成为各个国家之间竞争力水平的标志。太赫兹技术由于其一系列的优点及其广泛的应用价值成为世界各国研究机构关注的焦点，太赫兹技术也成为本世纪重大新兴科学技术领域之一[1]。太赫兹波是指频率范围为0.1~10.0THz的电磁波，波长范围为0.03~3.00mm，介于微波频段与红外之间，兼具二者的优点[2]（如图1所示）。它的长波段与毫米波(亚毫米波)相重合，其发主要依靠电子学科学技术；在短波段与红外线相重合，主要依靠光子学科技术发展，可见太赫兹波是宏观电子学向微观电子学过渡的频段，在电子波频谱中占有很特殊的位置，表现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性能。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，被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙(THzgap)”。从过去二十多年前开始，随着太赫兹辐射源和太赫兹探测器的相继问世，太赫兹技术的研究和应用才有了较快发展，在医疗诊断、雷达通讯、物体成像、宽带移动通信、军事航空等领域显示了重大的科学价值及实用前景，与此同时，其他方面的工程应用潜力也受到关注。图1太赫兹波段在电磁波谱中位置示意图1太赫兹技术的国内外发展状况自1896年和1897年，Rubens和Nichols开始对太赫兹波段进行先期探索，太赫兹技术已经有一百多年的历史，在这一百多年间太赫兹科学与技术得到了初步的发展，许多重要理论和初期的太赫兹器件相继问世[3]。现代太赫兹科学与技术的真正发展则是在20世纪80年代中期，随着一系列新技术、新材料的发展，特别是超快技术的发展，使得获得宽带稳定的脉冲太赫兹源成为一种常规技术，太赫兹技术也从此得以迅速发展。根据太赫兹辐射的重大应用前景，从20世纪90年代中期开始美国国家基金会、航天局、国防部和国家卫生学会等政府或军事部门，对太赫兹科学研究项目持续提供了较大规模的资金支持，太赫兹技术被美国评为“改变未来世界的十大技术”之一。欧洲国家除了各国自己所支持的研究项目以外，还利用欧盟的资金共同组织了跨国界、多学科、大型的合作研究项目，如Teravision、THz-Bridge、STARTIGER等。日本政府近年来对太赫兹科研的投入经费每年都超过一千万美元，并于2005年1月8日将太赫兹科技列为“国家支柱技术十大重点战略目标”之首。目前，世界上约有130多家研究机构开展了相关的光电子材料、太赫兹激光器、太赫兹光谱学及相关生物医学成像等研究。2005年，科技部、中国科学院、国家自然科学基金委联合召开的以“太赫兹科学技术”为主题的科学会议，成为我国太赫兹研究工作的里程碑。至今，国内已有30多家单位从事太赫兹科学技术研究工作，正逐渐在国际太赫兹科学技术的研究中占有一席之地。2太赫兹波的优越特性由于太赫兹在电磁波谱中有着特殊的位置，因此，它有一系列的优越性，而这优越性使其具有很好的应用前景。其主要特性如下：1)波粒二相性：太赫兹辐射是电磁波，因此它具有电磁波的所有特性。太赫兹波具有干涉、衍射等波动特性，在与物质相互作用时，太赫兹波显示出了粒子特性。2)高透性：太赫兹对许多介电材料和非极性物质具有良好的穿透性，可对不透明物体进行透视成像，是X射线成像和超声波成像技术的有效互补，可用于安检或质检过程中的无损检测[4]。另外，太赫兹在浓烟、沙尘环境中传输损耗很少，是火灾救护、沙漠救援、战场寻敌等复杂环境中成像的理想光源。3)安全性：相对于X射线有千电子伏的光子能量，太赫兹辐射的能量只有毫电子伏的数量级。它的能量低于各种化学键的键能，因此它不会引起有害的电离反应。这点对旅客身体的安全检查和对生物样品的检查等应用至关重要。另外，由于水对太赫兹波有非常强烈的吸收性，太赫兹波不能穿透人体的皮肤。因此，即使强烈的太赫兹辐射，对人体的影响也只能停留在皮肤表层，而不是像微波可以穿透到人体的内部[5]。4)光谱分辨特性：许多有机分子，如生物大分子的振动和旋转频率都在太赫兹波段，所以在太赫兹波段表现出很强的吸收和色散特性。物质的太赫兹光谱(发射、反射和透射光谱)包含丰富的物理和化学信息，使得它们具有类似指纹一样的唯一特点。因此，太赫兹光谱成像技术不仅能够分辨物体的形貌，还能识别物体的组成成分。为缉毒、反恐、排爆等提供了可靠的相关理论依据和探测技术。5)很高的时间和空间相干性：太赫兹辐射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额效应产生，因此具有很高的时间相干性和空间相干性。3太赫兹的基础研究太赫兹相关的科学研究发展已二十多年了，在此期间太赫兹源、探测器和相关器件不断的被发明创造，但仍处于起步阶段，对其基础研究还有待深入。太赫兹的基础研究大致可分为太赫兹的产生、传输、探测及太赫兹辐射与物质的相互作用四个领域。3.1太赫兹的产生太赫兹的产生除了传统的太赫兹非相干的热辐射源（高压汞弧灯和碳硅棒）外，还有基于光学方法的太赫兹源、基于电子学方法的太赫兹源，以及基于等离子体方法的太赫兹源。基于光学方法的太赫兹源主要有基于半导体瞬态电流的太赫兹源、基于非线性效应的太赫兹源和太赫兹气体激光器。其中，瞬态电流太赫兹源包括光电导机制和半导体表面产生机制[6]；而基于非线性效应的太赫兹源包括光整流机制，光混频机制和参量源。基于电子学方法的太赫兹源通常可产生窄带连续太赫兹波，是比较容易实用化的太赫兹源。基于该方法的太赫兹源也可大致分为三类：太赫兹真空微电子器件、太赫兹相对论性器件和太赫兹半导体激光器。太赫兹真空微电子器件大多是基于微波器件结合先进的微细加工技术（如LIGA技术，MEMS技术），利用微波管的分布作用原理产生太赫兹波的微型真空电子器件。太赫兹相对论性器件主要利用相对论，即电子的运动速度达到或接近光速，由电子的步辐射产生高功率的太赫兹辐射。太赫兹半导体激光器常见的有耿氏二极管、P-Ge激光器和量子级联激光器等。基于等离子体方法的太赫兹源同样也可分为三类:空气中光丝产生太赫兹、激光尾场产生太赫兹和表面等离子产生太赫兹。空气中光丝产生太赫兹的技术可使太赫兹完全摆脱距离的限制，科学家推测可在几公里以外产生出太赫兹脉冲，同时也避免了太赫兹在空气中传输被水分吸收的问题。激光尾场产生太赫兹则可分为磁化均匀等离子体中切伦科夫辐射，非均匀等离子体中线性模式转换，跃迁辐射；另外，研究发现利用超短飞秒脉冲激励纳米量级的金属周期结构，可产生表面等离子体。同时，该结构可将飞秒激光和表面等离子体场聚焦，以发生很强的非线性效应。3.2太赫兹辐射传输由于大气中的水汽、氧气、二氧化碳等对太赫兹辐射吸收较强，使得太赫兹在自由空间中的传输十分困难。再者，太赫兹辐射不能被很好的控制、聚焦，太赫兹脉冲，以频率分量呈径向分布，造成聚焦度、孔径，甚至自由空间传输对太赫兹的波形及其光谱都具有很大的影响。太赫兹传输的重点和难点在于太赫兹辐射的导波传输问题及太赫兹波相关的导向传播和自由传播间的有效耦合问题[7]。目前常见的太赫兹波传输有两种方法—波导传输技术和准光学技术。波导方法需要金属波导腔或介质光纤。在波长低于毫米级频率范围内，金属波导方法有很大的能量损失，大约与频率的平方成正比，而利用光纤则有色散和较高的吸收[8]。太赫兹波在波导中传输可应用于近场太赫兹波器件、太赫兹波互联、太赫兹波准光学腔和实现太赫兹波谱的超灵敏测量等。在用波导传输太赫兹脉冲时，必须选取群速度色散较小的波导。准光学技术是太赫兹传输的常用方法，它可将自由空间中传输的太赫兹波由发射端传输到接收端，或是将自由传输的太赫兹波有效的耦合到波导之中。3.3太赫兹波探测太赫兹探测技术是太赫兹科学技术应用的延伸，太赫兹的探测方法归为两种：相干探测和非相干探测。但由于目前太赫兹辐射源的功率普遍偏低，因此发展高灵敏度、高信噪比的太赫兹探测技术十分重要。常见的太赫兹脉冲的相干探测方法有光电导取样、电光取样、外差探测，以及近年来发展的空气等离子探测等。对于电导取样方法适用于低频太赫兹的探测，有很好的信噪比和灵敏度，但探测带宽窄。电光取样则是光整流的逆过程，是基于Pockels效应来得到太赫兹脉冲的相关信息。该方法适用于高频太赫兹的探测，具有探测带宽宽、高信噪比、高灵敏度、响应时间短等优点。太赫兹非相干探测器一般都是基于光热效应和光子效应的探测器,能够直接测量太赫兹信号。光热探测器一般有测辐射热计、热释电探测器和高莱探测器，它们都是将吸收的太赫兹辐射的能量转换为探测元件的电学性质或物理性质，如温度、电阻率和自发极化强度等的变化。3.4太赫兹波与物质相互作用不同的介质（如气体、液体和固体等）与太赫兹波相互作用具有不同的特性，介质对太赫兹波的吸收、相移和散射也不具相同。通过振幅和位相变化的测量，可以表征介质材料的电子、晶格振动和化学成分等性质，由此可以精确测量材料的吸收系数、折射率、介电常数、频移等相关特性，以及物质内部的超快过程。通过研究，太赫兹波与导体或高自由载流子浓度的半导体的相互作用可以分析这些材料的介电常数、载流子浓度，以及它们在太赫兹波段的折射率等。另外，利用太赫兹波与部分物质相互作用还可以研究物质的能级结构，确定物质的能级共振结构,研究分子的转动能级或振动能级，晶体的声子振荡及晶体的声子结构等。4太赫兹技术的应用太赫兹波兼具微波和红外的优异特性，同时包含了丰富的物理和化学信息，广泛应用于医学、雷达通讯、军事、航空航天、天文观测等领域。太赫兹科学技术是电磁学、激光物理学、半导体物理学等多个学科的交叉技术，并且为这些学科的研究提供了新的研究方法和手段，在基础物理学中发挥着举足轻重的作用。4.1太赫兹波成像技术太赫兹成像技术相对于可见光和X射线有非常强的互补特征，其穿透能力介于两者之间，又不会对人体或生物组织造成伤害。太