全面剖析赫兹技术及其应用

太赫兹波段自从19世纪后期正式命名之后，收到欧美日中等多个国家的高度关注，各国纷纷将其入选改变世界的技术评比之中。尤其是中国，在当今的研究甚至超越了美日，名列世界前茅。

自从正式命名之后，涉及太赫兹波段的研究结果和数据却非常稀少，在此频段上，既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合微波的理论来研究，另外在很大程度上受限于有效的太赫兹源和探测器，因此这一波段一度被称为Terahertz Gap“太赫兹鸿沟”。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。

太赫兹波

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，属于远红外波段，此波段是人们所剩的最后一个未被开发的波段，兼具二者的优点。

太赫兹电磁波频谱

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。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。

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。

太赫兹技术

太赫兹技术的研究主要集中在太赫兹辐射、太赫兹探测、太赫兹通信和太赫兹成像等方面。其中，高效的太赫兹辐射源和探测技术是推动太赫兹技术走向应用的关键。

太赫兹辐射技术

在太赫兹诸多技术的研究中，太赫兹辐射源的研究占据了很重要的位置。太赫兹辐射的产生主要有3种途径：

●基于电子学技术的太赫兹辐射源，包括返波管、耿氏振荡器以及固态倍频源等，这是毫米波技术向高频方向的扩展，这类太赫兹辐射源工作于1 THz以下，输出功率通常在数十微瓦到毫瓦量级；

●基于光子学技术的太赫兹辐射源，包括量子级联激光器、自由电子激光器和气体激光器等，这是激光技术向低频方向的延伸，这类太赫兹辐射源输出功率较大，具有很好的应用潜力。基于太赫兹激光器的光频梳技术在高分辨成像和成谱应用方面的前景广阔；

●基于超快激光技术的太赫兹辐射源，这类技术是1 THz附近向高频和低频方向同时发展的太赫兹辐射源技术，这类太赫兹辐射源具有脉宽窄、峰值功率高等优点，但是存在能量转换效率和平均输出功率低的问题。

因此，探索实现室温、高输出功率、连续可调谐和小型化的辐射源将大大促进太赫兹技术的研究，也是当前太赫兹领域的重要发展目标。

太赫兹探测技术

太赫兹探测技术也是太赫兹技术研究的一个重要组成部分，它涉及到物理学、光电子学、材料科学和半导体技术等，是一门综合性很强的技术。按照探测的原理可以分为太赫兹热探测器和太赫兹光子型探测器两大类。

●太赫兹热探测器的工作原理为：探测材料吸收太赫兹辐射，引起材料温度、电阻等参数的改变，再将其转换为电信号。

常见的太赫兹热探测器主要包括氘化硫酸三甘肽焦热电探测器、微机械硅bolometer 探测器以及钽酸锂焦热电探测器、超导隧道结和热电子混频器等。

●在太赫兹光子探测器中，电磁辐射被材料中的束缚电子或自由电子直接吸收，引起电子分布的变化，进而给出电信号输出。

常见的太赫兹光子探测器有太赫兹量子阱探测器、肖特基二极管和高迁移率晶体管等离子体波太赫兹探测器等。热探测器的极限探测灵敏度与探测器工作温度成正比，因此高灵敏太赫兹热探测器需要低温工作。

太赫兹光子探测器通常有高的损伤阈值和大的线性响应范围，探测灵敏度和响应速度间不存在相互制约，可以同时具备高探测灵敏度和快速响应能力。

超导HEB 混频器的显微放大图

THz量子阱探测器工作原理示意图：(a)器件结构；(b)器件能带结构和工作原理

太赫兹通信技术

太赫兹通信技术建立在传统无线通信的基础之上，由于太赫兹通信系统具有带宽大、传输速率高、保密性好等特点，随着现代社会对无线通信速率的要求不断提高，利用太赫兹波作为载波进行无线通信成为现代通信技术发展的必然。

太赫兹通信的应用场景包括短距离高速无线通信、空间通信和复杂军事环境条件下的保密通信等。

目前太赫兹通信还处在关键器件的研究开发、太赫兹通信系统整体结构方案的可行性论证以及实验室的研究与仿真演示阶段，亟需研制高性能的太赫兹固态器件，解决太赫兹信号的调制和信号处理技术，并制定相应的技术标准。

因此，太赫兹通信技术可以实现更高速率的信息传输，抢占带宽资源，这不仅具有很高的经济价值，还具有非常高的战略意义。

THz通信技术应用构想图：太赫兹链路应用于基站间和设备间的数据传输

太赫兹成像技术

由于太赫兹频段光子能量较低，不会对被测物体造成损坏，并且对某些非极性材料具有良好的穿透能力，因此利用太赫兹波的穿透性和安全性等优点进行成像技术开发，可对被测物体进行成像，从而实现无损检测和安全检查。

根据成像机理，太赫兹成像分为被动式成像和主动式成像：

●被动式成像是通过太赫兹探测器对被测物体自身的辐射能量进行探测, 利用不同物质辐射强度的差异来实现成像和辨别。被动式成像是一种相对安全的成像方式，但是成像系统对信号本身的强度以及接收机的灵敏度要求较高。

●太赫兹主动式成像主要是通过太赫兹辐射源发射一定强度的太赫兹信号并照射到被测物体，利用太赫兹探测器接收被测物的反射波或者透射波，通过成像系统对探测器探测到的振幅和相位信息进行分析处理，得到被照射物体的图像。主动式成像系统可以对包括塑料、生物组织等非金属材料进行检测，并且可以有效地进行三维成像。

利用太赫兹多彩成像装置成功实现对隐藏的农药残留物草酸铜、抗生素甲萘醌和维生素K的无损鉴别

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大量经费，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。

不同于微波毫米波和红外线领域，在太赫兹方面，我国与国外差距较小。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。

伴随着材料学、半导体技术的发展，国内逐渐拥有了研究太赫兹技术的基础条件，科研人员也克服了重重困难，取得了非常可喜的成就。单从论文发表的数量上，我国已经达到世界较为领先的地位，但是从科研到产业化的速度和能力，与欧美国家还存在较大差距。

至今除了航天、国防领域以外，太赫兹技术的大范围应用并没有如期而至，民用消费行业内大规模应用似乎仍然遥遥无期。唯有北京航天易联科技发展有限公司的太赫兹安检系统在G20上的出现让人眼前一亮。遗憾的是，从测试的具体效果来看，还是和TeraView，Brijiot， ThruVision，TeraSense等欧美公司有较大的差距。

产业的投资可以说并不比欧美逊色，科研机构几乎覆盖了太赫兹领域的方方面面，从基础材料，单个探测器，发射器组件，到系统级整合应用都有所涉及。同时国内的的科研单位和研发企业的迅猛发展，让太赫兹测试测量领域的美国巨头VDI（Virginia Diodes，Inc）也感到了压力，不顾企业利润，向国内停售了起绝大部分高性能设备及系统。

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。

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。太赫兹波在材料研究、安检、生物和医学中的各种成像应用是目前开展得最广泛的研究。

太赫兹波成像技术可以利用相位信息进行成像，许多干电介物质对太赫兹波段基本是透明的，但是折射率不同会引起太赫兹波相位的变化，从而实现对不同材料的鉴别。例如使用太赫兹波成像技术在车站、机场对行李或旅客进行安检就非常理想，它可以准确地检查刀具、枪支、炸药及非法药品毒品等。对细胞水平的生物组织进行成像，主要是测量不同组织及其含水量对太赫兹波的吸收引起能量的变化，例如皮癌即及其它组织表层病变的早期诊断等。

通过太赫兹TDS技术还可以同时探测太赫兹波的相位和振幅变化信息，可以实现对材料光谱特性的研究，例如测定掺杂半导体载流子的富集度和迁移率和研究高温超导材料的特性等。

2、太赫兹雷达和通讯技术

太赫兹辐射具有比微波更短的波长及更高的时间精度，依此原理研制的太赫兹雷达可对目标进行敏感探测与监视，太赫兹雷达在国家安全和保护领域具有广阔的应用前景。

THz频段的波长远小于通常的微波及毫米波频段的波长,适合于极大信号带宽和极窄天线波束的实现,有利于实现目标的高分辨率成像,且物体运动引起的多普勒效应更为显著,更利于检测目标的运动特征。这些特点使得THz雷达探测系统具有微小目标探测、极高分辨率的目标成像识别能力。虽然THz频段的大气衰减比较严重,但在太空环境下THz频段的衰减会大大降低,因此THz探测系统在太空环境更容易实现高分辨目标探测。

太赫兹通信是指用太赫兹波作为信息载体进行的空间通信。因为太赫兹波介于微波与远红外光之间，处于电子学向光子学的过渡领域，所以它集成了微波通信与光通信的优点。

相对于微波通信而言：l）太赫兹通信传输的容量更大。太赫兹波的频段在108~1013Hz之间，可提供高达10GB/s的无线传输速率；2）太赫兹波具有更好的保密性及抗干扰能力；3）太赫兹波束更窄、方向性更好、可以探测更小的目标以及更精确地定位；4）由于太赫兹波波长相对更短，在完成同样功能的情况下，天线的尺寸可以做得更小，其他的系统结构也可以做得更加简单、经济。

相对于光通信而言；1）用光子能量约为可见光的1/40的THz波作为信息载体，能量效率更高；2）THz波具有更好的穿透沙尘烟雾的能力，它可以实现全天候的工作。太赫兹波在通过大气时，由于水蒸气而导致的强吸收、低效率以及在目前可选的THz源中相对低发射功率会给太赫兹通信带来明显的不利影响，但是，随着高功率的太赫兹光源、高灵敏度的探测技术及高稳定性系统的日益突破，占有很多优势的太赫兹通信必将指日可待。

THz通信特别适合作卫星间、星地间及局域网的宽带移动通讯。将来利用太赫兹无线网络下载一部DVD电影几乎是“弹指一挥间”，几秒钟即可完成。太赫兹与可见光和红外线相比，它同时具有极高的方向性及较强的云雾穿透能力，使得太赫兹通信可以以极高的带宽在战场中进行定向、高保密甚至明码军事通信。

3、太赫兹波在航天材料领域的应用

在材料鉴定方面，大多数分子均有相应的太赫兹波段的“指纹”特征谱，研究材料在这一波段的光谱对于物质结构的性质以及揭示新的物质有着重要的意义。太赫兹技术非常适合于用来分析分子，可以通过太赫兹波激发并探测“分子振动旋转状态”来进行光谱分析。它能有效地激发分子进入各种共振模式，使分子振动或转动。在这一过程中，分子吸收能量，在光谱仪中生成某段频率的吸收谱线，然后就可以据此判断出其中含有那些分子。因此，可以使用太赫兹分析他国卫星的组成、结构甚至材料。

由于太赫兹波有较强的穿透率，并且其光子能量低，只有几个毫电子伏特，穿透时不易发生电离，因而可用于安全的无损检测。尤其是对一些塑料泡沫等绝缘材料内部的缺陷和裂纹等进行无损检测和成像，在战略导弹及航空、航天结构材料的检测和评估方面具有重要的应用价值。如对航天飞机燃料舱的隔热材料进行有效的无损探伤，已被美国宇航局选择为发射中缺陷检测的技术之一。美国使用了一套基于光学技术的太赫兹波系统，充分证明了太赫兹波可以对航天器燃料舱的隔热材料进行有效的无损探伤。

4、太赫兹波在生物医学方面的应用

由于太赫兹波能量低，不会对生物体产生电离危害，能对患者进行无损检测和筛查。另一方面，太赫兹波对水相中物质水含量或者化学物质的微小变化极其敏感，不同样本水含量的差异有利于太赫兹医学诊断研究。太赫兹技术能够检测出经过脱水处理或者石蜡包埋处理的样本间的差异，这说明太赫兹波能够辨别不同病理组织的组织结构。使用太赫兹光谱鉴别正常和患病的脑组织样本。应用太赫兹光谱技术对人腿皮质骨进行了检测。研究有助于理解太赫兹波对生物组织的响应情况。

另外，太赫兹波空间分辨率高，太赫兹波能够穿透表皮，太赫兹时域成像技术使用样本的振幅和相位信息生成样本的3D图像。采用连续太赫兹成像技术对非黑色素皮肤癌进行了研究， 利用太赫兹成像技术对皮下肿瘤和肝炎组织进行了研究。因此太赫兹成像作为一种安全、无损的医学成像技术对生物组织的检测和诊断具有重要的应用价值和发展潜力。

太赫兹技术作为一项多学科的交叉技术，有其独特的优势，并具有广阔的应用前景，随着太赫兹科学技术的快速发展，太赫兹科学技术的理论不断发展和成熟，伴随着各类太赫兹源、检测和传输器件的研发成功，太赫兹技术必将对国民经济和国家安全产生重大影响。

编辑：jq