太赫兹技术介绍

太赫兹技术
太赫兹（terahertz, 简称THz）波通常是指频率在 0.1~10 THz（波长在0.03~3 mm）波段的电磁波，它的长波段与毫米波（亚毫米波）相重合，其发展主要依靠电子学科学技术，而它的短波段与红外线（远红外）相重合，其发展主要依靠光子学科学技术，所以太赫兹波是宏观电子学与微观光子学研究的交叉领域，对于电子学与光子学研究的相互借鉴和相互融合具有重要的科学意义和极大的研究价值。
太赫兹科学技术综合了电子学与光子学的特色，涉及物理学、化学、光学工程、材料科学、半导体科学技术、真空电子学、电磁场与微波技术、微波毫米波电子学等学科，是一个典型的交叉前沿科技领域。
太赫兹历史及国内外发展状况
实际上, 早在一百多年前, 就有科学工作者涉及过该波段的研究，即在1896年和1897年，Rubens和Nichols对该波段进行先期的探索。在之后的近百年间, 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。而“ Terahertz”这个词语正式在文章中出现却是在1974年左右, Fleming用它来描述迈克尔逊干涉仪所覆盖的一段频段的谱线。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。
由于THz所处的特殊电磁波谱的位置, 它有很多优越的特性, 有非常重要的学术和应用价值, 使得THz受到全世界各国政府的支持, 并给予极大的关注。美国、欧州和日本尤为重视。
我国政府在2005年11月专门召开了“香山科学会议”, 邀请国内多位在THz研究领域有影响的院士专门讨论我国THz事业的发展方向, 并制定了我国THz技术的发展规划。我国的THz学科研究受到政府和各研究机构的广泛重视。国家科技部、国家自然科学基金委、863计划(民口和军口)及第270次香山科学会议等都将太赫兹科学技术列为研究主题。
然而，太赫兹技术的发展仍然受到太赫兹辐射源、太赫兹探测器以及许多太赫兹功能器件的制约，尽管这些领域的研究已经进行了二十多年，但与激光技术相比，太赫兹技术所需要的许多关键器件还是十分有限的，很多技术尚待开发，甚至一些基础理论研究也是急需发展的。

太赫兹辐射的独特性质 太赫兹电磁辐射具有很多独特的性质, 正是这些特性赋予了太赫兹辐射广泛的应用前景。相对于高频电磁波, 太赫兹辐射的一些基本特征如下：
1） 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。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。2） 低能性:太赫兹光子能量为4.1 meV(毫电子伏特), 只是X射线光子能量的107 ～ 108 分之一, 该值低于各种化学键的键能。太赫兹辐射不会导致光致电离而破坏被检物质, 非常适用于针对人体或其他生物样品的活体检查。另外, 水对太赫兹辐射有极强的吸收, 所以该辐射不会穿透人体的皮肤, 对人体是很安全的。由此, 太赫兹辐射是皮肤癌、龋齿洞等医学检测的理想工具。3） 指纹谱性:太赫兹波段包含了丰富的物理和化学信息。大多极性分子和生物大分子的振-转能级跃迁都处在太赫兹波段, 所以根据这些指纹谱, 太赫兹光谱成像技术能够分辨物体的形貌, 鉴别物体的组分, 分析物体的物理化学性质, 为缉毒、反恐、排爆等提供相关的理论依据和探测技术。
太赫兹辐射的研究内容 THz技术主要的研究内容有:THz理论、源发射器、检测、传播、设备、应用基础研究及其应用等。
1） THz源发射器目前THz源发射器的研究主要有差频发生(differencefrequencygenerator, DFG), 太赫兹波参量振荡器(Terahertzparameteroscillator, TPO)及其他THz源发生器。THz源发生器结构如图2所示。
集成调制功能的光混频产生太赫兹波器件如图3所示。工作在1550nm的重离子辐照In0.53 Ga0.47As材料制作的光混频器件。光混频器件的阵列集成(见图4)可提高输出功率。无线链路发射机由射频块、基带块、功率/控制块和天线构成, 其中射频块由发射机模块、功率放大器模块和锁相振荡器(phase-lockedoscillator,PLO)构成。
2） THz检测器THz检测器结构框图如图5所示。接收端有高速光电探测器、微波滤波器以及大功率放大器。射频块由MMIC接收机模块构成, 接收机模块包括低噪声放大器(low noise amplifier, LNA)和ASK解调器。接收机MMIC集成到一个波导模块包上。经过受限放大器的解调信号进入时钟和数据恢复(clock data recovery, CDR)电路, 然后经过E/O转换器, 输入到外部光纤中。检测器主要有基于GaN/AlGaN多量子阱和AlGaN薄膜上的高电子迁移率晶体管(HEMT)探测器。
光载THz波通信系统结构如图6所示。图6中,发送端在双模锁模自混频实现毫米波上下变频、调制。多个不同波长的DFB激光器用同一个外调制器进行调制, 频率为fc/N, 经解复用后分别注入不同的FP激光器,通过注入锁模产生具有不同中心波长的双波长输出。接收端在PD中相干混频后直接输出数据。
结语
近二十多年来，太赫兹科学技术已经取得了一些重要的研究成果，太赫兹技术的应用也在不断扩展到波谱、成像、通信、雷达、天文、气象、石油、化工、军事、安全、国防、航空航天等各个领域，并正在取得不断的突破和进步。太赫兹科学技术的研究任重道远，太赫兹科学技术的发展前景远大