太赫兹技术发展与应用

太赫兹技术发展与应用陈彦二0一三年六月电子科技大学报告大纲太赫兹器件太赫兹波特点太赫兹应用太赫兹源太赫兹频率范围：0.1THz-10THz，波长范围:0.03-3mm,处于毫米波与远红外波之间。太赫兹定义太赫兹特性瞬态性和宽带性相干性高穿透性水对它的强吸收性指纹光谱低光子能量（4.1毫电子伏特，远低于X射线的光子能量）太赫兹的应用目前太赫兹的应用领域正在不断的扩大，从最初仅用于天文学研究，逐渐扩展到了人们生活的方方面面。例如：太赫兹通信、生物和医学领域、全球环境检测、无损探伤、安检、太赫兹成像、太赫兹雷达等太赫兹应用太赫兹通信，频谱很宽，数据传输非常快。例如：德国卡尔斯鲁厄理工学院科学家日前开发了新的无线局域网技术，打破了WiFi网络数据传输纪录，可让1公里外的用户以每秒钟40GB的速度下载数据，这相当于10部2小时的高清电影。其工作频率为：240GHz生物和医学领域：癌症诊断和治疗，DNA探测，药物分析等环境检测：THz可以穿透烟雾，同时又可以检测出有害分子。太赫兹雷达具备发隐形能力，THz波具有非常宽的频谱，可工作在目前隐身技术所能对抗的波段之外，因此它能探测隐身目标，以其作为辐射源的超宽带雷达能够获得隐身飞机的图像。宇宙探测JUICE—JUpiterICymoonsExplorer欧航天局正在实施的大型行星探测计划，用于探测木星及其卫星。预计发射时间：2022年到达时间：2030年搭载太赫兹仪器：工作频段：1080-1275GHzand530-601GHz外差式光谱仪宇宙探测HerschelSpaceTelescope(0.48-1.91THz,lunchin~2007)Sofia(US-Germany0.3-665um,2006)Rosetta(ESA562GHz,2004)THz对乘客进行安检携带武器人员太赫兹成像国土安全对信封中的“炭疽热”粉末成像3种毒品在不同频率下的成像结果国土安全太赫兹探测，除了成像外，由于一些分子的吸收谱处在THz波段内，因此可以通过成像与光谱分析相结合的方法进行探测。军事应用癌变的人体肝脏病理切片(a)为光学照片(b)太赫兹脉冲光谱成像(c)太赫兹连续波成像牙齿成像左图：光学成像右图：太赫兹成像生物医学应用太赫兹源太赫兹源大体可以分为三类:基于真空电子学的太赫兹源基于光子学的太赫兹源基于半导体的太赫兹源基于真空电子学的太赫兹源自由电子激光器基于真空电子学的太赫兹源电子回旋管基于光子学的太赫兹源光整流太赫兹源基于光子学的太赫兹源光差频（DFG）太赫兹源基于光子学的太赫兹源太赫兹波发生器基于光子学的太赫兹源种子注入太赫兹波发生器半导体太赫兹源量子级联激光器各种太赫兹源产生的波的频段上图给出了目前常见太赫兹源，产生的太赫兹频率范围。金属波导耦合实验装置图（1999年，McGowan研究小组利用该装置，将THz波耦合进直径为240um的圆金属波导）变形的平行平面金属波导（用以改善圆和矩形波导的色散问题，凹面结构用以改善能量泄露）太赫兹波导金属线太赫兹波导太赫兹波导介质空腔波导结构及其实验装置太赫兹波导在THz频段也可用全介质作为波导，介质空腔波导的传输原理与传统光纤类似，也称为THz光纤。光子晶体太赫兹波导光子晶体太赫兹波导光子晶体光纤太赫兹滤波器基于光子晶体的太赫兹滤波器基于频率选择表面的太赫兹滤波器基于量子阱结构的太赫兹滤波器目前太赫兹滤波器主要基于二维光子晶体、超颖材料、表面等离子体等结构光子晶体太赫兹滤波器光子晶体太赫兹滤波器光子晶体可调太赫兹滤波器基于向列液晶材料的太赫兹立奥滤波器周期结构太赫兹滤波器基于周期结构的6.9THz和20.3THz带阻滤波器周期结构太赫兹滤波器(a)太赫兹高通滤波器(b)太赫兹带阻滤波器(c)太赫兹带通滤波器(d)太赫兹带通滤波器基于量子阱结构的太赫兹滤波器混合型量子阱结构示意图利用激光照射量子阱结构使结构中的电子和空穴结合产生光子,从而改变结构中光学激发的载流子的数量。从而通过改变激光参数实现可调太赫兹滤波器。太赫兹天线太赫兹天线大体可以分为三类：机械太赫兹天线平面太赫兹天线新材料太赫兹天线机械太赫兹天线太赫兹喇叭天线平面太赫兹天线对于平面天线由于“介质模式”的存在，在太赫兹波段，会使得大量的电磁能量被困在介质当中，无法有效的辐射出去。透镜天线薄膜天线电磁带隙天线为了解决该问题，衍生出了以下几类天线：平面太赫兹天线半无穷介质基板上方偶极子天线的辐射方向图透镜太赫兹天线及阵列平面太赫兹天线太赫兹薄膜天线平面太赫兹天线电磁带隙天线新材料太赫兹天线碳纳米管及碳纳米偶极天线（a）（b）太赫兹放大器太赫兹放大器，按实现方式可以分为：基于固态器件的太赫兹放大器基于真空电子器件的太赫兹放大器异质结双极型晶体管（HBT）高电子迁移率晶体管（HEMT）太赫兹放大器目前太赫兹固态放大器所使用的晶体管,主要有:高电子迁移率晶体管（HEMT）、变形异质结高迁移场效应晶体管(MetamorphicHEMT)和异质结双极型晶体管（HBT）。基于固态器件的太赫兹放大器3阶35nmmHEMT放大器（DevelopedatTeledynescientific）放大器S参数的测量结果基于固态器件的太赫兹放大器4阶35nmmHEMT放大器（DevelopedatTeledynescientific）放大器S参数的测量结果基于真空电子器件的太赫兹放大器1THz反波放大器对基于真空电子器件的太赫兹放大器，目前一个重要的发展方向是引入微机电系统技术，冷阴极技术，高纵横比光刻技术，制造可以用于THz频率的小型真空管。图给出了1THz返波管放大器的配置。基于真空电子器件的太赫兹放大器慢波结构阴极配置慢波及耦合过渡结构太赫兹应用需要解决的关键问题研制大功率太赫兹发射源研制高效率太赫兹传输设备研制高灵敏度太赫兹接收装置深入理解太赫兹辐射以及与物质的互作用电子科技大学