从光子学角度看太赫兹技术的现状和发展趋势_胡小燕

第45卷第7期激光与红外Vol．45，No．72015年7月LASEＲ＆INFＲAＲEDJuly，2015文章编号:1001－5078(2015)07－0740－09·综述与评论·从光子学角度看太赫兹技术的现状和发展趋势胡小燕(中国电子科技集团公司信息科学研究院，北京100015)摘要:太赫兹技术是当前极具发展潜力的热点技术。太赫兹源、太赫兹探测器以及太赫兹应用研究是太赫兹技术的三大研究重点。本文分析了太赫兹技术在光谱探测、成像探测和通讯应用方面的需求情况，介绍了现有主要的太赫兹源产生方法和特点，以及太赫兹探测器的分类和常见太赫兹探测器，并以其相邻谱段红外探测器的发展历程以及太赫兹探测器的发展现状为参照，从光子学的角度分析了太赫兹探测器的发展趋势以及可能面临的技术困难。关键词:太赫兹;太赫兹源;直接探测;外差探测;光子探测器;热探测器;红外探测器中图分类号:O441文献标识码:ADOI:10．3969/j．issn．1001－5078．2015．07．002ＲesearchprogressandtrendsofterahertztechnologyfromtheviewofphotonicsHUXiao－yan(ChinaElectronicstechnologyGroupCorporationInformationScienceAcademy，Beijing100015，China)Abstract:Terahertztechnologyisaverypromisingtechnology．Terahertzsource，terahertzdetectorandterahertzappli-cationarethreekey－pointsinterahertztechnologyfield．Theapplieddemandinterahertzspectroscopy，terahertzima-ging，andterahertzcommunicationareanalyzed;themechanismandcharacteristicsofterahertzsourceaswellasthemaincurrentclassificationandthecommonterahertzdetectorsarealsointroduced．Basedonthedevelopingprogressofinfrareddetectors，developingtrendsandtheprobablytechniquedifficultiesofterahertzdetectorsinthefuturearealsoanalyzedfromtheviewofphotonics．Keywords:terahertz(THz);terahertzsource;directdetection;heterodynedetection;photondetectors;thermaldetec-tor;infrareddetector1引言应用技术的研究热点。太赫兹波一般认为是频率在0．1～10THz(对应波长在3mm～30μm)之间的电磁辐射，介于微波与红外波之间，是宏观电子学向微观光子学过渡的频段，图1所示为太赫兹波在电磁波频谱中的位置。由于大量有机分子的转动和振动频率以及大量图1电磁波频谱星际尘埃的特征谱线处于此波段范围;同时太赫兹辐射具有光子能量小，不会引起生物组织的光离化，Fig．1Theelectromagneticspectrum太赫兹技术的应用需求2能够穿透针织物、纸张、烟雾等非金属和非极性材在过去的20几年内太赫兹技术呈现了飞跃式料，这些特征使得太赫兹相关技术成为了当前各种的发展，各国研究人员利用先进的材料技术研究作者简介:胡小燕(1979－)，女，硕士，高级工程师，主要从事光电探测器技术以及光谱感知微系统相关技术研究。E－mail:[e-mail]收稿日期:2015－03－16激光与红外No．72015胡小燕从光子学角度看太赫兹技术的现状和发展趋势741出了更高功率的太赫兹源，各种技术突破将太赫兹的应用推向了顶峰。其中里程碑式的技术发展包括太赫兹时域光谱技术(TDS)、太赫兹成像技［1－3］术以及非线性效应产生高功率太赫兹源。当前，太赫兹技术应用主要集中在光谱探测、成像探测和通讯应用这几个方面。2．1光谱探测20世纪80年代发展起来的太赫兹时域光谱技术(TDS)［4］利用物质对太赫兹频带的不同特征吸收谱，用来分析研究物质成分、结构及其相互作用关系。通常有机分子之间弱的相互作用(如氢键)及大分子的骨架振动(构型弯曲)、偶极子的旋转和振动跃迁以及晶体中晶格的低频振动吸收频率对应于太赫兹红外波段范围。这些振动所反映的分子结构及相关环境信息，都在太赫兹波段不同吸收位置和强度上有明显的响应，有机分子的这些光谱特征，被称之为指纹谱，这使得利用太赫兹时域光谱技术鉴别化合物结构、构型与环境状态成为可能。具体来说其可以广泛应用于毒品、爆炸物和其他违禁物品及环境监测等应用领域，目前世界范围内已经很多企业生产商用太赫兹时域光谱仪。除此之外，太空中星际尘埃和一些重要分子的光谱也在太赫兹谱段，如图2所示为典型星际尘埃和重［5］，要分子的光谱这使得太赫兹的天文光谱探测对宇宙构成、星系形成和演化等研究领域有着重要的贡献。图230K黑体辐射光谱以及典型星际尘埃和主要的分子发射光谱Fig．2Thespectrumof30Kblack－body，andtheemissionspectrumoftypicalinterstellardustandmolecular2．2成像探测太赫兹波对很多介电材料和非极性的液体具有良好的穿透性，且与X光相比，太赫兹波能量低，不会破坏生物组织，具有很高安全性，因此太赫兹波的一个很有吸引力的前景就是作为X射线成像和超声波成像等技术的补充，用于生物医学成像、安全检查或者无损探伤等。太赫兹成像技术目前主要在两个方面开展研究，逐点扫描太赫兹成像技术和远红外焦平面阵列的太赫兹成像技术，这一领域现在已经被公认最有可能首先取得重大突破，具有非常大的应用潜力。利用太赫兹可以穿透物质的特性，美国橡树岭国家实验室(OＲNL)和田纳西大学合作，开展“穿墙计划(ThroughwallProgram)”，利用太赫兹成像技术从外部获得墙内信息，这项穿墙技术在国家安全方面有很重要的价值。在安全检查领域，由于太赫兹辐射可以穿透各类非金属材料，应用于安检对人进行太赫兹透视成像，可以清楚地看到藏于衣服下的武器(如图3所示)，也可以穿透包裹看到危险品，相比X射线安检仪，对人体伤害小，且可以快速准确检出违禁品。图3太赫兹探测在安全检查中能穿透衣物发现隐藏的武器Fig．3ThehiddenweaponunderclothescanbefoundedbyTHzdetector在医学检测领域，太赫兹波辐射能穿入皮肤底下数毫米的地方，而其他医疗技术，(如X光和核磁共振成像技术)尽管可以透视更深处组织，但因成像对比机制的不同，而对皮肤以下几毫米的深层无能为力。同时用太赫兹波作为生物医学成像的光源，可以避免X线等光源的副作用，并且图像的清晰度和对比度更好，在影像上表现非常出色，可大量应用到细胞及器官的鉴定或成像，放射诊断和遗传［6］基因研究。2．3通讯应用太赫兹电磁波处于电子学向光子学的过渡领域，它集成了微波通信与光通信的优点，同时相比较两种现有通信手段，太赫兹波表现出一些特有的优良性质。742激光与红外第45卷相比微波通讯而言，太赫兹通讯传输容量更大，波束更窄、方向性更好，具有更好的保密性和抗干扰能力，同时天线尺寸相对更小、系统更经济;相对光通信而言，其光子能量低、能量效率更高，同时具有很好的穿透沙尘烟雾的能力，当然大气中水汽的吸收会带来不利因素。总的来说，太赫兹电磁波是很好的宽带信息载体，太赫兹波比微波能做到的带宽和讯道数多得多，特别适合用于卫星间、星地间及局域网的宽带移动通讯。3太赫兹技术研究的两大关键基础问题支撑太赫兹应用的两大重大基础问题为太赫兹源和太赫兹探测器。近年来，各国研究人员从光子学角度和电子学角度开展了针对太赫兹源、太赫兹探测器的大量研究工作，大大促进了相关太赫兹成像技术、光谱探测等应用技术的快速发展。3．1太赫兹源自然界充满了大量的太赫兹辐射源，从宇宙背景辐射到我们身边绝大多数物体的热辐射都覆盖太赫兹波段。按照黑体辐射理论，温度超过绝对零度的黑体都辐射电磁波，10K以上的黑体辐射的电磁波均包括太赫兹波段，约50%的宇宙空间光子能量［7］在太赫兹波段。虽然人们早已知道太赫兹波段的存在，但是因为用传统的电子学和光学方法均难以产生和探测太赫兹波，因此人们对于太赫兹波段的特性一直知之甚少，直到近20年，随着超快电子学技术、微电子技术以及激光技术的发展，为太赫兹辐射提供了稳定可靠的发射源和探测手段，从而促进了太赫兹技术的迅速发展。太赫兹源的获得从原理上一方面可以将截止频率接近太赫兹的高速、非线性器件的亚毫米波频率通过混频和倍频，上变频到太赫兹波段;另一方面也可以从红外波段或可见光的泵浦激光器下变频到太赫兹波段，此外还可以采用真空电子学或者固态电子学等方式来获得太赫兹源。当前人工太赫兹源按照产生原理可以分为以下三类:基于非线性介质的太赫兹源、基于加速电子的太赫兹源以及基于激光激射方法产生的太赫兹源。表1所示为常见的人工［8－11］。目前为止，太赫兹太赫兹源产生方法及特点源技术中提高1THz附近的源的功率仍然是研究的难点(如图4所示)。3．2太赫兹探测同其他光电探测系统一样，太赫兹探测系统可以也分为非相干(直接)探测系统和相干探测系统，其原理如图5所示。非相干探测系统主要探测目标辐射的强度信息，探测带宽宽，大多数成像探测系统均是非相干探测，相对来说系统结构比较简单，比较容易实现大阵列规格的探测。而相干探测系统探测目标的强度信息和位相信息，有着较好的滤波特性和高增益，具备探测微弱信号的能力，常用于高分辨率光谱研究(v/v～10－5～10－6)，但是其系统比较复杂，且不容［13］易实现阵列探测。［12］图4太赫兹源技术中存在的“THzGap”Fig．4THzGapwithrespecttoTHzsourcetechnology［12］图5太赫兹探测系统原理图Fig．5simplifiedschematicofTHzdetectionsystem相干探测系统中，外差探测是太赫兹辐射最灵敏的探测方式之一，其采用外差电路设计，相干的目标信号与本振源(LO)信号混频后得到包含位相信息和信号幅值的差频信号，然后对该差频信号进行放大处理得到目标辐射的相关信息。其中混频器是相干探测系统前端核心的部件，混频器的性能决定着系统的响应率和噪声。通常来说，混频器为非线性电子器件，并要求有着较高的二阶非线性度，常见的有肖特基二极管(SBD)、超导体－半导体－超导体(SIS)隧道结、半导体和超导体材料的热电子测辐射计(HEB)等。激光与红外No．72015胡小燕从光子学角度看太赫兹技术的现状和发展趋势743表1常见的太赫兹源产生方法及特点Tab．1ThegenerationprincipleandcharacteristicsofcommonTHzsources分类产生方法基本原理示意主要特点1)利用光利用飞秒激光脉冲和非线性晶体相互作用产生低频电极化场，1)可以输出更宽的辐射带宽，可达50THz;整流效应产生:下此电极化场在晶体表面辐射出太赫兹电磁波。2)输出效率低，输出功率低。变频(一)基于非线1)设备简单，结构紧凑、常温工作;性效应的2)非线性两个中心频率稍有差别的连续波激光在具有高二阶光学非线2)可以得到较宽的太赫兹波调谐范围，但太赫兹波差频机制:性材料内作用，产生和频和差频光。转换率低下;产生下变频3)输出功率较高，可达几十瓦量级。1)典型的倍增系数为2～6倍，倍增管效率3)微波倍小于10%，故其输出功率随频率的倍增(由倍增利用其I－V曲线的非线性，由低频输