太赫兹技术的发展现状及应用前景分析-王忆锋

第23卷第1期光电技术应用Vol.23,No.12008年2月ELECTRO-OPTICTECHNOLOGYAPPLICATIONFebruary.2008文章编号:1673-1255(2008)01-0001-04太赫兹技术的发展现状及应用前景分析王忆锋,毛京湘(昆明物理研究所,云南昆明650223)摘要:简要介绍了太赫兹辐射源和太赫兹探测器,特别是THz量子级联激光器(QCL)和THz量子阱红外光子探测器(QWIP)的原理、特点及研究现状.分析了太赫兹技术工程应用前景及限制因素.指出作用距离是决定太赫兹技术应用的关键因素之一.如果太赫兹辐射在大气对流层内传输时的衰减问题不能得到有效解决,那么太赫兹技术在地面或海上的应用可能受到严重制约.基于机载或星载平台的太赫兹雷达或通信,则具有诱人的应用前景.关键词:太赫兹;太赫兹辐射源;太赫兹探测器;应用中图分类号:O441.4文献标识码:AAnalysisonDevelopmentStatusofTerahertzTechnologyandApplicationProspectWANGYi-feng,MAOJing-xiang(KunmingInstituteofPhysics,KunmingYunnan,650223,China)Abstract:AbriefoverviewofTHzsourcesandTHzdetectors,especiallytheTHzquantumcascadelasers(QCL)andTHzquantum-wellinfraredphotodetectors(QWIP),andtheircharacteristicsarepresentedwithemphasisontheirbasicprincipleandrecentresearchprogress.TheprospectsandlimitationsofTHztechnologyinapplicationarealsoanalyzed.ItispointedoutthatthedistanceisoneofthekeyfactorsforapplicationofTHztechnology.IfthedegradationofTHzradiationduringthetransportationinatmospherictropospherecouldnoteffectivelybesolved,theapplicationofTHztechnologyontheearthorseawillbeseriouslylimited.THzradarortelecommu-nicationbasedonairborneorsatellitehasapromisingfuture.Keywords:terahertz;terahertzradiationsource;terahertzdetector;application电磁波谱中微波和红外之间的部分称为太赫兹为T射线.太赫兹波段一端落入远红外(farin-(Terahertz,THz)波或太赫兹辐射,太是英语词根frared)波段,另一端落入亚毫米波段,是光子技术与tera-的译音,其频率为0.1～10THz(对应的波长范电子技术、宏观状态与微观状态之间的过渡区域,表围是3000～30μm).如图1所示.太赫兹辐射又称现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性能.图1电磁波谱示意图,太赫兹波段位于红外与毫米波之间,频率范围在0.1～10THz之间.收稿日期:2008-01-07作者简介:王忆锋(1963-),男,湖南零陵人,北京理工大学计算机系工学士.高级工程师.主要从事器件仿真研究.2光电技术应用第23卷由于缺乏有效的太赫兹辐射产生和检测手段,对于该波段的了解一直比较有限,使得太赫兹成为电磁波谱中最后一个未被全面研究的频率窗口,以致于它被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙(terahertzgap)”.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、射电天文、物体成像、宽带移动通信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.1太赫兹辐射的特点太赫兹辐射具有如下特点[1,2]:(1)太赫兹辐射是完全非电离的,其光子能量较低,对大部分生物细胞无害,适合于对生物组织进行活体检查.如利用太赫兹时域谱技术研究酶的特性,进行DNA鉴别等;(2)太赫兹辐射的频率极宽,覆盖了各种包括蛋白质在内的大分子的转动和振荡频率.许多大分子在太赫兹辐射段表现出很强的吸收和谐振,构成了相应的太赫兹“指纹”特征谱,这些光谱信息对于物质结构的研究很有价值;(3)太赫兹辐射可以透过各种生物体、电介质材料以及气相物质,这些介质在太赫兹辐射段具有丰富的吸收和色散性质,通过测量并分析样品的太赫兹信号便可以获得关于材料中的物质成分和物理、化学以及生物学信息.另外,太赫兹辐射可无损穿透墙壁、布料,使其可以在某些特殊领域如安全检查等方面发挥作用;(4)太赫兹辐射的频带宽度是微波的1000倍,是很好的宽带信息载体,特别适合局域网的宽带无线移动通信;(5)太赫兹辐射的时域频谱信噪比很高.目前,对太赫兹辐射强度测量的信噪比可大于1010,通过采样测量技术,能够有效地防止背景辐射噪音的干扰,这使得太赫兹非常适用于成像应用;美国国防高级研究计划署(DARPA)资助的一个项目名称就是太赫兹焦平面成像技术(TerahertzImagingFocal-plane-arrayTechnology).2太赫兹技术应用的关键器件太赫兹技术涉及激光器、材料生长、器件设计、光学、制冷、微电子及软件等众多学科,属典型的交叉前沿领域.其应用的关键器件主要包括太赫兹辐射源和太赫兹探测器.2.1太赫兹辐射源[3-6]由于目标自身的太赫兹辐射信号微弱,故目前的多数应用场合需要太赫兹辐射源.这一点与雷达相似,而与被动红外系统有别.太赫兹辐射源可以分为下面3类:(1)基于高能加速器的太赫兹辐射源这类辐射源可能主要适合于学术研究或民用.(2)基于光学方法的太赫兹辐射源产生太赫兹辐射的光学方法最早是利用高压汞灯.高压汞灯的光谱分布形状与温度为4000K的黑体辐射相似,在0～2THz范围内的输出功率约有70μw.目前基于光学方法的太赫兹辐射源主要包括:①太赫兹气体激光器.气体激光器可以获得上百毫瓦的输出功率,并且已经实现产品化.如国外的SIFIR-502.5THz光抽运太赫兹激光器已搭载于NASA的AURA卫星.但这种辐射源不是连续可调的,而且通常需要较大的气体腔和数百瓦的能量输入,在体积、质量、效率、可靠性、可维护性、工作寿命以及频率稳定性等方面尚有可改进之处.②利用超短激光脉冲的光电导、光整流及等离子体四波混频等方法产生太赫兹辐射.利用超短激光脉冲的方法产生太赫兹辐射,具有超宽带、脉宽窄、峰值功率高等优点,缺点是时间相干性较差,不可连续调谐,转换效率较低,平均功率在纳瓦至微瓦数量级,不利于对其进行探测.③利用非线性光学差频技术产生太赫兹辐射.④与晶格振动有关的参量振荡技术产生太赫兹辐射.其中第③、④两种方法可以产生连续可调谐的单频太赫兹辐射,并且具有较高的输出功率,正朝着高效率、大能量、结构紧凑、简单连续调谐、室温稳定运转的方向发展.(3)基于电子学方法的太赫兹辐射源这类方法主要包括:①利用真空电子学方法产生太赫兹辐射.主要包括太赫兹真空器件、电子回旋脉塞和自由电子激光等.自由电子激光器可以产生平均功率第1期王忆锋等:太赫兹技术的发展现状及应用前景分析3数百瓦、峰值功率几千瓦的太赫兹辐射,是目前所有太赫兹辐射源中输出能量最高的.但它造价昂贵、体积庞大,需要大型平台.②利用半导体技术产生太赫兹辐射.量子级联激光器(quantumcascadelasers,QCL)可以产生毫瓦量级的辐射.它具有能量转换效率高、体积小、轻便和易于集成等优点,近年来受到很大关注.QCL概念首次出现于1960年.1994年,在使用分子束外延(MBE)工艺研制的耦合量子阱结构中得到了量子级联激光.通过能带设计,QCL的输出范围逐渐进入了太赫兹波段.2002年,世界上第一个太赫兹QCL在美国Bell实验室问世,其频率为4.4THz,温度50K,脉冲功率为20mW.随后,不少国家都开展了这方面的研究工作,并采用了不同的半导体材料.2004年,美国MIT研制的太赫兹量子级联激光器频率为2.1THz,温度137K,脉冲功率为20mW,次年实现了太赫兹成像.在目前及以后还没有达到室温的情况下,太赫兹QCL需要低温制冷.另有报道,英国Rutherford国家实验室和欧洲航天局合办的ThruVision公司,专门从事太赫兹成像技术的商业开发,该公司推出的一种被动式太赫兹成像仪,具有不需要太赫兹辐射源、并可实时成像的特点.日本东京大学学者研制了一种太赫兹显微分光镜,该系统没有太赫兹辐射源,通过扫描一个量子霍尔探测器的磁场来分辨极微弱太赫兹辐射的频率,其工作温度为4.2K.在太赫兹波段,一般的聚合物(例如高密度聚乙烯、聚四氟乙烯、聚脂薄膜等)窗口具有高吸收率.参考文献[8]介绍了一种制造应用于太赫兹频率的低损失窗口的方法.该窗口用高阻硅材料制成.通过在基片上刻蚀出深度为λ/4的矩形凹槽作为抗反射层,来克服由于基片和自由空间之间阻抗失配造成的反射损失.2.2太赫兹探测器[9]由于太赫兹辐射源输出功率低,频率范围内热辐射背景噪声大、水蒸汽衰减严重等因素的影响,从目标反射回来的太赫兹辐射信号更低,这就要求太赫兹探测器具有很高的探测灵敏度和频率分辨率.目前探测太赫兹辐射的方法主要有热辐射探测法、傅里叶变换光谱法、时域光谱法、外差式探测法以及太赫兹量子阱红外光子探测法(THzquantumwellinfraredphotodetector,THzQWIP).2004年面世的THzQWIP属窄带探测器,其工作原理与QWIP相同,具有响应速度快、工艺成熟、体积小、易于集成等优点.目前红外波段的QWIP结构已经开始实用化.QWIP的理论和方法可以推广到THzQWIP的设计中,其核心问题是求解载流子在生长方向上的输运问题.目前常用的方法有3种:①基于量子输运理论的非平衡格林函数方法.②基于玻尔兹曼方程的蒙特卡罗方法.③基于准微观散射模型的率方程方法.有研究者认为,第②种蒙特卡罗法比较适合于QWIP以及THzQWIP的设计.THzQWIP工作在偏压状态,暗电流对器件性能的影响较大,抑制暗电流对于THzQWIP性能的提高有着重要影响.由于THzQWIP从束缚态到连续态的能量间距非常小,为了抑制暗电流,THzQWIP需要在非常低的温度下工作,为此离不开深低温制冷技术的支持.目前已经可以得到质量高、稳定性强、均匀性好的大面积GaAs/AlGaAs异质半导体材料,这种材料既可以制作太赫兹辐射源,也可以制作太赫兹探测器.3太赫兹技术的工程应用前景分析对于工程应用而言,除了要考虑诸如工作温度、太赫兹波输出稳定性以及带宽等因素外,太赫兹系统能否远距离使用无疑具有决定性的影响.以太赫兹成像系统而论,如果其作用距离尚不及目前的红外成像系统,影响作用距离的主要因素是大气对流层内水蒸汽对太赫兹辐射的吸收.太赫兹辐射由于水蒸汽影响在空气中将经受很强的衰减,其损耗约为100db/km.表1列出了4种不同频率的太赫兹单脉冲在海平面标准大气层中的水平路径传输距离.文献[2]中指出,0.6THz的太赫兹波功率作为传输距离的函数,与指数衰减非常接近.如果这是一种带有普遍性的规律,那么对于太赫兹技术的地基或海基应用无疑将构成一种严重制约.所幸的是,上升到一定高度以后,水蒸汽吸收对太赫兹辐射传输距离的影响可以大幅度减小.90%以上的水蒸汽集中在大气的对流层[10],对流层的高度视纬度和季节而定,大约在10～15km之间,在4光电技术应用第23卷中纬度区平均为10～12km.在对流层之外,因为水蒸汽含量几乎为零,在很宽的频率范围