█ 北京無線電計量測試研究所 諶 貝 程 晴 馬紅梅

█ 中央軍委裝備發(fā)展部國防知識產(chǎn)權(quán)局 王寶龍

一、前言

太赫茲波的頻段位于微波與紅外光之間，其頻率范圍為100GHz~10THz，結(jié)合了毫米波與紅外光的部分特性，具有很高的研究價值和應(yīng)用潛力，太赫茲科學(xué)與技術(shù)是當(dāng)今交叉學(xué)科的前沿研究領(lǐng)域。太赫茲波具有帶寬大、穿透能力強、光子能量低、時間和空間相干性高、抗干擾能力強等優(yōu)良特性，在寬帶無線通信、衛(wèi)星通信、遙感遙測、無損探傷、成像安檢、醫(yī)療診斷、環(huán)境檢測、農(nóng)業(yè)應(yīng)用等方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。近十幾年來，太赫茲技術(shù)在世界范圍內(nèi)獲得了廣泛關(guān)注。從戰(zhàn)略規(guī)劃的角度，美國將太赫茲技術(shù)列為改變未來世界的十大技術(shù)之一，日本政府將太赫茲技術(shù)列為國家支柱十大重點戰(zhàn)略目標(biāo)之首，而我國自2005年的“香山科學(xué)會議”起就正式確立了太赫茲科學(xué)技術(shù)的發(fā)展方向。隨著基礎(chǔ)技術(shù)研究的不斷深入和轉(zhuǎn)化，太赫茲技術(shù)及產(chǎn)品逐步形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，并在最近形成了諸如“太赫茲產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟”“毫米波太赫茲產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟”“太赫茲產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟”等專業(yè)團(tuán)體，有望進(jìn)一步整合技術(shù)能力和產(chǎn)業(yè)資源，推動太赫茲技術(shù)的進(jìn)一步升級。

但與之形成對比的是，長期以來太赫茲計量測試技術(shù)的發(fā)展滯后于太赫茲其他技術(shù)，形成了計量學(xué)上的太赫茲空白。計量測試技術(shù)是所有實驗科學(xué)和工程測量領(lǐng)域中必不可少的環(huán)節(jié)，用于合理表征設(shè)備指標(biāo)和系統(tǒng)性能，評價測量結(jié)果，為其他技術(shù)提供支撐。成熟的測量領(lǐng)域必然具有高水平的計量能力及共同認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)。然而太赫茲技術(shù)雖然得到快速發(fā)展，但是高端儀器與器件的缺乏導(dǎo)致長期以來太赫茲計量測試技術(shù)相對滯后。近些年來，得益于太赫茲器件和快速光學(xué)設(shè)備的高速發(fā)展，太赫茲計量測試逐漸獲得關(guān)注，并成為太赫茲技術(shù)的一個重要方向。

由于太赫茲的頻段位于微波和遠(yuǎn)紅外之間，因此早期的研究者多具有微波技術(shù)或光學(xué)技術(shù)背景。這就使得當(dāng)前的太赫茲技術(shù)研究可分為兩類：基于微波上變頻技術(shù)和基于光學(xué)下變頻技術(shù)。這兩類研究都是當(dāng)前的主流，各有優(yōu)勢。在太赫茲計量測試中也是如此，兩類方法相互補充，體現(xiàn)出傳統(tǒng)的單一方法所不具備的特點。

在太赫茲計量測試技術(shù)研究初期，美國和歐洲的相關(guān)計量機(jī)構(gòu)處于領(lǐng)先地位，他們較為系統(tǒng)地開展了涉及太赫茲頻段的計量測試技術(shù)研究，其中較有代表性的研究機(jī)構(gòu)有美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）、英國國家物理研究院（NPL）、德國國家物理技術(shù)研究院（PTB）等。我國太赫茲計量測試技術(shù)的研究起步稍晚，但發(fā)展非常迅速，包括中國計量科學(xué)研究院（以下簡稱“中國計量院”）、北京無線電計量測試研究所、西安應(yīng)用光學(xué)研究所、中國電子科技集團(tuán)有限公司第四十一研究所（以下簡稱“中電四十一所”）等在內(nèi)的眾多科研院所都在積極開展相關(guān)研究，并已形成各自具有代表性的研究方向。

二、太赫茲計量測試技術(shù)研究現(xiàn)狀

本文參考傳統(tǒng)無線電計量專業(yè)中所使用的“參數(shù)”概念對太赫茲計量測試技術(shù)進(jìn)行分類，這種分類方法也是當(dāng)前行業(yè)中廣泛采用的方式。

（一）功率與輻射參數(shù)

在太赫茲頻段，功率參數(shù)是最基礎(chǔ)的參數(shù)之一。對于絕對功率測量而言，實際基本都是基于電替代輻射測試技術(shù)，這是一種測量輻射熱的技術(shù)。該測量技術(shù)中最基本的組件是溫度計和吸收體，并常輔以電加熱器。被測功率在吸收體上不斷積累引起溫度變化，直流能量在電加熱器上的積累也會引起溫度計的響應(yīng)。將兩者進(jìn)行對比，就能夠獲得待測功率。這種方法已經(jīng)能夠獲得很高的測量準(zhǔn)確度，是非常成熟的技術(shù)。

在2011年之后，計量研究機(jī)構(gòu)逐步開始建立太赫茲功率標(biāo)準(zhǔn)。NIST和NPL建立了同軸連接形式覆蓋50GHz、波導(dǎo)連接形式覆蓋110GHz的量熱式/微量熱式小功率標(biāo)準(zhǔn)裝置，以及基于六端口/直接比較法的傳遞系統(tǒng)。NIST研制了覆蓋140~220GHz的量熱式功率標(biāo)準(zhǔn)，并研制了以水為吸收媒質(zhì)的簡易黑體，或者稱為“太赫茲阱”，能夠作為可溯源的參考標(biāo)準(zhǔn)，如圖1所示[1]。最近，日本國家計量院（NMIJ）研制了基于單模WR-03波導(dǎo)的精密量熱計，用于建立220~330GHz頻段的太赫茲功率測量標(biāo)準(zhǔn)，如圖2所示[2]。

圖1 美國NIST研制的水黑體校準(zhǔn)源結(jié)構(gòu)圖[1]

圖2 日本NMIJ研制的220～330GHz頻段太赫茲功率標(biāo)準(zhǔn)的精密量熱計[2]

圖3 太赫茲功率比對中使用的校準(zhǔn)原理圖（左圖）和被測功率探測器（右圖）[3]

北京無線電計量測試研究所目前的校準(zhǔn)能力已經(jīng)達(dá)到170GHz，并能夠開展325GHz的功率測試。值得一提的是，2015年，PTB、NIST和中國計量院進(jìn)行了一次國際太赫茲功率比對[3]，圖3為該次比對中PTB使用的校準(zhǔn)系統(tǒng)與太赫茲探測器，選擇比對的頻率為2.52THz和0.762THz，功率在3mW左右，比對結(jié)果顯示，3家參比實驗室的太赫茲功率計測量結(jié)果在擴(kuò)展不確定度內(nèi)符合得很好，說明我國的太赫茲功率測試實現(xiàn)了與國際其他機(jī)構(gòu)的量值統(tǒng)一。

在實際應(yīng)用中，輻射計是功率計量標(biāo)準(zhǔn)的常見形式，也是需要進(jìn)行功率計量的典型設(shè)備之一。NPL在20世紀(jì)80年代進(jìn)行了一組非常著名的紅外低溫輻射測定工作[4]，并將測定結(jié)果用在斯忒藩–玻爾茲曼（Stefan-Boltzmann）常數(shù)的精確測定中。這些研究催生了一代低溫輻射計[5]，其成為現(xiàn)代高準(zhǔn)確度紅外功率測量和國際標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。輻射計已經(jīng)廣泛應(yīng)用于遙感、探測等實際測量過程中，例如，我國的風(fēng)云和海洋系列衛(wèi)星、神舟系列飛船、嫦娥系列飛行器等型號中都采用了輻射計。輻射計測量的動態(tài)范圍非常大，但是所測量的信號非常微弱，所以需要進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的定標(biāo)。北京無線電計量測試研究所在輻射計研制和定標(biāo)方面處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，輻射計真空定標(biāo)源的頻率覆蓋10~220GHz，全極化輻射計測試能力覆蓋500GHz。

由于自由空間中功率計量測試的不確定度可能要比通過波導(dǎo)傳輸方法更低，且其系統(tǒng)組件的制作相對容易，所以當(dāng)前包括NIST在內(nèi)的眾多研究機(jī)構(gòu)都將目光關(guān)注在自由空間中。而隨著太赫茲技術(shù)的發(fā)展，諸如雷達(dá)、通信、檢測等實際應(yīng)用也越來越多地采用空間傳輸形式，所以如何能夠更好實現(xiàn)自由空間的太赫茲功率計量測試將成為下一步的研究重點。

（二）網(wǎng)絡(luò)參數(shù)

當(dāng)前太赫茲源的輸出功率還很低，但太赫茲信號的傳輸損耗卻很高。為了保證太赫茲波在傳輸介質(zhì)中的效率，同時減小傳輸損耗和避免發(fā)生大功率擊穿，通常都盡量使傳輸線系統(tǒng)處于行波狀態(tài)，從而避免反射和駐波的產(chǎn)生。也就是說，微波網(wǎng)絡(luò)理論同樣適用于太赫茲頻段的信號。對于一個太赫茲的網(wǎng)絡(luò)，如果能夠獲得散射參數(shù)（S參數(shù)），就可以變換得到反射、阻抗、衰減等量值，從而實現(xiàn)對太赫茲網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的計量測試。

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行S參數(shù)的測量已經(jīng)從早期的110GHz發(fā)展至太赫茲頻段，現(xiàn)在已經(jīng)有眾多達(dá)到1THz的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）或擴(kuò)頻模塊實現(xiàn)了商用化，如圖4所示。美國Keysight、德國R&S、法國AB Millimeter等廠家，都已經(jīng)具備達(dá)到太赫茲頻段的網(wǎng)絡(luò)分析能力，國內(nèi)中電四十一所（思儀公司）也推出了太赫茲頻段網(wǎng)絡(luò)分析儀，這些發(fā)展對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)提出了太赫茲頻段計量測試新需求。

圖4 典型網(wǎng)絡(luò)分析儀系統(tǒng)及擴(kuò)頻模塊[6]

NIST采用雙六端口/VNA系統(tǒng)建立了同軸/波導(dǎo)接頭形式的S參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置，開展了110GHz以上波導(dǎo)頻段的S參數(shù)校準(zhǔn)技術(shù)研究，頻段可達(dá)500~750GHz[7]。英國NPL采用VNA系統(tǒng)建立了同軸/波導(dǎo)接頭形式的S參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置，開展了110~170GHz、140~220GHz頻段的S參數(shù)校準(zhǔn)技術(shù)研究，并搭建了相應(yīng)的測量系統(tǒng)，用于實現(xiàn)校準(zhǔn)件、網(wǎng)絡(luò)分析儀等設(shè)備的誤差分析。針對單端口和雙端口器件，PTB已具備同軸連接形式覆蓋110GHz、波導(dǎo)連接形式覆蓋325GHz的測量能力[6]。北京無線電計量測試研究所目前已建立同軸連接形式到50GHz、波導(dǎo)連接形式覆蓋110GHz的S參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)裝置，可實現(xiàn)的校準(zhǔn)測試能力覆蓋220GHz，正準(zhǔn)備開展220~500GHz頻段的S參數(shù)校準(zhǔn)技術(shù)研究。此外，基于網(wǎng)絡(luò)分析系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)材料的太赫茲頻段測試，例如，圖5給出了利用波導(dǎo)進(jìn)行材料測試的方法[8]。

除了以同軸、波導(dǎo)連接的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之外，對片上S參數(shù)的計量測試研究已經(jīng)成為一個新熱點，其技術(shù)需求背景更加明確。NIST已經(jīng)開展了片上S參數(shù)的校準(zhǔn)技術(shù)研究工作，頻率覆蓋500GHz，主要研究內(nèi)容包括片上測量不確定度的分析、毫米波探針的誤差模型計算及校準(zhǔn)基片的設(shè)計制作等。美國噴氣推進(jìn)實驗室（JPL） 報道了220~325GHz頻段的片上S參數(shù)測量系統(tǒng)，如圖6所示[9]。NPL也開展了片上S參數(shù)的校準(zhǔn)技術(shù)研究工作，搭建了亞毫米波片上S參數(shù)校準(zhǔn)裝置，并且設(shè)計研制了各個頻段的片上S參數(shù)檢驗件作為標(biāo)準(zhǔn)。北京無線電計量測試研究所的片上S參數(shù)測量能力已達(dá)至220GHz，并正在進(jìn)一步向更高頻率拓展。

圖5 基于波導(dǎo)的太赫茲頻段材料測試實物及原理圖[8]

我國的S參數(shù)計量能力距離真正滿足太赫茲頻段的要求尚有很大差距，國外的能力優(yōu)于國內(nèi)的主要原因是網(wǎng)絡(luò)分析儀、探針等硬件設(shè)施的優(yōu)勢，以及我國在軟件、算法等方向上的研發(fā)能力不足。從該角度而言，我國的儀器研發(fā)和生產(chǎn)能力還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家。而以中電四十一所為代表的國產(chǎn)設(shè)備廠商正在快速開展技術(shù)攻關(guān)，并逐步推出完全國產(chǎn)化的產(chǎn)品，有望在不久的將來對國內(nèi)的計量測試能力建設(shè)提供有力支撐。

（三）脈沖波形參數(shù)

隨著寬帶通信等領(lǐng)域的快速發(fā)展，很多超快、超高速、超寬帶的儀器設(shè)備（如寬帶示波器、超快脈沖產(chǎn)生器、高速光電探測器等）被成功開發(fā)出來并大量投入使用。脈沖參數(shù)是這類設(shè)備的關(guān)鍵指標(biāo)，直接反映了其響應(yīng)速度和信息處理能力。這類設(shè)備的帶寬已達(dá)太赫茲頻段，傳統(tǒng)的電子學(xué)設(shè)備無法滿足其計量測試需求，因此對太赫茲脈沖計量測試技術(shù)提出了更高的要求。

圖6 WR3波導(dǎo)的片上S參數(shù)測量系統(tǒng)[9]

融合光、電技術(shù)的電光取樣技術(shù)（EOS）的測量帶寬可達(dá)數(shù)百吉赫茲，為太赫茲脈沖的計量提供了有效的手段。近年來，國際知名計量機(jī)構(gòu)如NPL、NIST和PTB等均開展了太赫茲脈沖計量技術(shù)的研究，并建立了相應(yīng)的計量標(biāo)準(zhǔn)。其中所涉及的原理基本相似，都是采用飛秒激光脈沖激勵光導(dǎo)開關(guān)等器件產(chǎn)生高帶寬的超快脈沖，利用EOS對所產(chǎn)生的太赫茲脈沖進(jìn)行準(zhǔn)確測量，校準(zhǔn)后的太赫茲脈沖可以應(yīng)用于太赫茲頻段設(shè)備的校準(zhǔn)。這種方法產(chǎn)生的太赫茲脈沖的脈沖寬度在1ps左右，經(jīng)共面波導(dǎo)、微波探頭和同軸電纜傳輸后，展寬到3~4ps。EOS系統(tǒng)采用精密的位移平臺作為延時器件，可通過校準(zhǔn)位移平臺實現(xiàn)EOS掃描時間的校準(zhǔn)，并最終溯源至基本量長度，建立完善的溯源鏈。

PTB和NPL使用該技術(shù)對帶寬50GHz的取樣示波器的沖激響應(yīng)進(jìn)行了校準(zhǔn)，測得的信號半高寬分別為6.3ps和6.5ps，擴(kuò)展不確定度約為1.2ps。PTB和NPL都基于電光取樣原理建立了寬帶取樣示波器的標(biāo)準(zhǔn)裝置，并開展了相應(yīng)的校準(zhǔn)服務(wù)。PTB所采用的原理如圖7所示[10]。

NIST利用EOS技術(shù)研究了高速光電探測器的校準(zhǔn)技術(shù)，得到了共面波導(dǎo)上的超快電脈沖時域波形[11]，原理如圖8所示。通過測量共面波導(dǎo)取樣參考面上的電脈沖波形，再采用相應(yīng)的修正方法來修正微波探頭和共面波導(dǎo)對脈沖波形產(chǎn)生的影響，準(zhǔn)確測定了高速光電探測器在0.2~110GHz范圍的幅頻響應(yīng)，并分析了測量不確定度。NIST還研究了利用系統(tǒng)校準(zhǔn)后的高速光電探測器校準(zhǔn)寬帶取樣示波器的技術(shù)，利用校準(zhǔn)后的高速光電探測器作為傳遞裝置開展了取樣示波器的校準(zhǔn)服務(wù)，并針對示波器的響應(yīng)提出一系列的修正技術(shù)，如圖9所示。目前，美國NIST超快電脈沖波形校準(zhǔn)能力可達(dá)200GHz，能夠滿足商用寬帶取樣示波器的校準(zhǔn)要求[12]。此外，韓國標(biāo)準(zhǔn)與科學(xué)研究院和法國國家計量研究院利用內(nèi)電光取樣技術(shù)研建了超快電脈沖波形測量系統(tǒng)，并實現(xiàn)對帶寬50GHz的脈沖波形的測量[13,14]。

圖7 德國PTB超快電脈沖波形測量系統(tǒng)的原理示意圖[10]

圖8 美國NIST的高速光電探測器測量系統(tǒng)[11]

圖9 示波器響應(yīng)修正的流程圖

我國的脈沖波形參數(shù)計量能力已步入國際領(lǐng)先行列，中國計量院和北京無線電計量測試研究所已經(jīng)建設(shè)了太赫茲脈沖波形的計量能力，上升時間測量可達(dá)5ps，還受邀參加了2018年的國際太赫茲脈沖波形測量能力比對。但是對于更高帶寬的儀器與器件而言，當(dāng)前國內(nèi)計量測試能力還不能夠滿足應(yīng)用需求，有待進(jìn)一步提高。

（四）頻率參數(shù)

頻率作為電磁波重要的基本參數(shù)之一，其準(zhǔn)確測量與傳遞極其重要。自2005年J.Hall等人因光學(xué)頻率梳獲得了諾貝爾物理學(xué)獎以來[15]，基于飛秒激光頻率梳技術(shù)的測量方法已經(jīng)從一個理念變成了準(zhǔn)確測量光學(xué)波段頻率最可靠的手段。2008年，日本大阪大學(xué)的研究者首次將頻率梳的概念推廣到太赫茲波段，并基于頻率梳原理對太赫茲頻率進(jìn)行了測量，使被測源的頻率誤差低至0.56Hz，相對不確定度達(dá)到2.4×10-11[16]。光頻梳作為準(zhǔn)確測量頻率的尺子，其在太赫茲波段應(yīng)用的原理如圖10所示。重復(fù)頻率為f的飛秒光學(xué)頻梳與光電導(dǎo)天線作用可產(chǎn)生穩(wěn)定的太赫茲頻梳，第m根梳齒的頻率為mf，然后將待測太赫茲波fx與太赫茲頻梳混頻，兩者差拍產(chǎn)生射頻信號fb，fb和f可由射頻儀器直接測量。

國內(nèi)外更多的學(xué)者將太赫茲頻率溯源研究鎖定在頻率梳上，并將太赫茲頻率溯源至原子頻標(biāo)上[17–19]，實現(xiàn)量值溯源至國際單位制基本量。2009年，NPL采用通過自主研制的薄片干涉組件實現(xiàn)了50GHz~5THz的頻率測量，通過薄片金屬柵的位移來標(biāo)定所測太赫茲頻率，也使得其能將太赫茲頻率溯源至長度標(biāo)準(zhǔn)上[20]。2011年，PTB采用同步非穩(wěn)定重復(fù)頻率太赫茲系統(tǒng)實現(xiàn)了12×10-14的相對不確定度，誤差僅為0.001Hz，原理如圖11所示[21]。2016年，日本情報通信研究機(jī)構(gòu)（NICT）采用鎖相技術(shù)實現(xiàn)了單模3THz量子級聯(lián)激光器的頻率穩(wěn)定度測量，該測量結(jié)果表明，在外差混頻產(chǎn)生的噪聲忽略不計的情況下，頻率穩(wěn)定度在10-15量級，與微波時頻基準(zhǔn)水平相當(dāng)[22]。

圖10 太赫茲頻率梳原理圖[16]

圖11 同步非穩(wěn)定重復(fù)頻率太赫茲系統(tǒng)原理圖[21]

光頻梳在頻率測量準(zhǔn)確度方面更有優(yōu)勢，作為未來高準(zhǔn)確度頻率校準(zhǔn)手段將得到更廣泛的關(guān)注。傳統(tǒng)的光頻梳系統(tǒng)需要很多體積、質(zhì)量較大的設(shè)備，影響了其進(jìn)一步的拓展。不過，隨著精密加工工藝的發(fā)展，許多光頻梳系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備可以使用高度集成的形式，如圖12所示[23]，這將進(jìn)一步推動光頻梳技術(shù)的應(yīng)用。目前，國內(nèi)對光學(xué)頻率梳技術(shù)已開展了較多的研究[24,25]，但是將該技術(shù)用于太赫茲頻率測量的報道還較少。

（五）光譜參數(shù)

太赫茲光譜技術(shù)是近些年來迅速發(fā)展且應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大的一種新型測量和分析手段。20世紀(jì)80年代，AT&T、Bell實驗室和IBM公司的T. J. Watson研究中心提出了一種非常有效的相干探測技術(shù)。因為其所針對的頻段范圍，早期又被稱為遠(yuǎn)紅外頻譜技術(shù)。通過分析和處理光譜信號就可以獲得被測樣品的復(fù)介電常數(shù)、復(fù)折射率、吸收系數(shù)等參數(shù)，實現(xiàn)樣品的物質(zhì)識別，獲得大量重要的物理和化學(xué)信息。該技術(shù)已經(jīng)推廣至太赫茲成像、太赫茲雷達(dá)等應(yīng)用領(lǐng)域，解決其計量問題成為當(dāng)務(wù)之急。

NPL對太赫茲光譜校準(zhǔn)開展了一系列研究，包括參數(shù)估計、信號處理、測量表征、測量不確定度和校準(zhǔn)方法等方面。在校準(zhǔn)方法方面，NPL對與頻率相關(guān)的動態(tài)范圍、信噪比、測量帶寬提出了具體的校準(zhǔn)方法。通過對一系列的標(biāo)準(zhǔn)材料進(jìn)行表征，設(shè)計制作了能夠用于太赫茲光譜校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)氣體室和高阻硅片組，可以用于頻率準(zhǔn)確度和幅度線性度的校準(zhǔn)，如圖13所示。NPL還從系統(tǒng)和被測樣品兩方面對測量不確定度的來源進(jìn)行了分析[26]。

澳大利亞阿德萊德大學(xué)利用物理模型對樣品和太赫茲波之間的作用進(jìn)行了研究，并首次針對提取后參數(shù)的測量不確定度進(jìn)行了系統(tǒng)性分析。阿德萊德大學(xué)對系統(tǒng)和測量過程中的誤差來源進(jìn)行了歸納，并計算了每個誤差來源對最終輸出量的影響，如圖14所示[27]。

NMIJ研究了針對太赫茲光譜分析儀的一套簡單的校準(zhǔn)方法，利用光學(xué)透明的太赫茲空氣標(biāo)準(zhǔn)具，該標(biāo)準(zhǔn)具適用于近紅外和太赫茲頻域，其頻率誤差在±3GHz以內(nèi)，相對不確定度小于1%。此外，NMIJ利用金屬膜衰減片組設(shè)計了程序控制的太赫茲步進(jìn)衰減器，并具有良好的重復(fù)性和平坦度，如圖15所示，能夠在一個很寬的動態(tài)范圍內(nèi)對太赫茲光譜分析儀進(jìn)行線性度估計[28]。

中國計量院鄧玉強等人使用太赫茲反射脈沖作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)，對太赫茲光譜分析儀的線性時基誤差進(jìn)行了校準(zhǔn)，對平移臺的線性誤差進(jìn)行了修正，提高了光譜的可重復(fù)性，其實驗原理圖如圖16所示[29]。該技術(shù)可以對每個太赫茲脈沖進(jìn)行修正，并可用于太赫茲光譜的在線校準(zhǔn)。與傳統(tǒng)的太赫茲光譜分析儀的結(jié)構(gòu)相比，該技術(shù)不需要另外的光學(xué)器件，也不會降低系統(tǒng)的性能。

圖12 分子激光器和毫米級的量子級聯(lián)激光器實物圖[23]

圖13 NPL研制的高阻硅片組和標(biāo)準(zhǔn)氣室及所使用的太赫茲系統(tǒng)原理圖[26]

圖14 太赫茲光譜測量的誤差來源及不確定度傳播過程[27]

圖15 太赫茲步進(jìn)衰減器

圖16 用于在線太赫茲光譜校準(zhǔn)的實驗原理圖[29]

太赫茲光譜測量設(shè)備的計量測試技術(shù)尚不成熟，其測量不確定度還比較大，嚴(yán)重制約了測量結(jié)果量值的準(zhǔn)確性和統(tǒng)一性。所以，如何進(jìn)一步提高太赫茲光譜參數(shù)的計量能力，將成為近期較為重要的研究方向。

三、建議與展望

科研人員將對電磁波的研究拓展至太赫茲頻段，從而產(chǎn)生了新的太赫茲研究領(lǐng)域。計量測試技術(shù)作為基礎(chǔ)性技術(shù)在太赫茲頻段發(fā)揮著重要作用，包括：（1）太赫茲頻段計量測試技術(shù)為太赫茲頻段的應(yīng)用提供保障，同時也受太赫茲技術(shù)發(fā)展的牽引；（2）太赫茲頻段計量測試技術(shù)以微納加工、激光工藝、集成光電子學(xué)、新材料等支撐技術(shù)為基礎(chǔ)，同時也在促進(jìn)支撐技術(shù)的發(fā)展；（3）太赫茲頻段的計量測試技術(shù)需要并推動著如微波技術(shù)、光學(xué)、電子學(xué)、計量學(xué)等相關(guān)專業(yè)的交叉融合。所以，太赫茲頻段的計量測試技術(shù)作為基礎(chǔ)和紐帶性技術(shù)，體現(xiàn)出明確且急切的發(fā)展需求。

針對我國太赫茲計量測試技術(shù)的現(xiàn)狀及未來發(fā)展需要，提出以下幾點建議。

（一）多專業(yè)多參數(shù)的交叉融合

隨著頻段的升高，相關(guān)器件不斷小型化、集成化，許多基本參數(shù)之間的界限變得不再確定。例如，基于網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行的測試往往能夠同時獲得阻抗、相位、衰減等參數(shù)的量值，而且各量值間可能還存在著相關(guān)性。又例如，快速發(fā)展的無線通信中，傳統(tǒng)的參數(shù)已經(jīng)不能滿足通信系統(tǒng)性能的評價要求，眾多基于統(tǒng)計的、綜合性的參數(shù)正成為行業(yè)中更為關(guān)注的焦點。所以，要盡力實現(xiàn)傳統(tǒng)參數(shù)之間的交叉融合，為計量測試提供便利，并有機(jī)會催生出更合理、更具代表性的參數(shù)，促進(jìn)相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。

（二）大力開展和推動理論基礎(chǔ)研究

當(dāng)前，我國在太赫茲領(lǐng)域開展的研究更加注重工程化和系統(tǒng)級，理論研究方面與國外尚存在一定差距。而從國外的情況可以發(fā)現(xiàn)，能夠長期引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展的團(tuán)體，無一不是注重理論基礎(chǔ)研究和技術(shù)預(yù)先研究的。所以，需要進(jìn)一步開展和推動理論基礎(chǔ)研究。理論基礎(chǔ)研究將更加有力地促進(jìn)計量測試技術(shù)的創(chuàng)新，提高核心競爭力。

（三）加速支持太赫茲頻段儀器和器件的國產(chǎn)化

高性能的儀器和器件是太赫茲技術(shù)研究所必需的硬件條件，但其中大部分產(chǎn)品還需要依賴國外的廠家，如高頻段的探針、性能優(yōu)良的黑體、網(wǎng)絡(luò)分析儀擴(kuò)頻模塊等。受這類儀器的限制，我國有許多計量研究工作無法開展，制約著計量測試能力的提高。所以，自主產(chǎn)品的研發(fā)至關(guān)重要。我國的儀器開發(fā)能力與發(fā)達(dá)國家存在巨大差距，需要長期的技術(shù)積累，從集成電路工藝流程、精密加工、特殊材料生長等各個方面不斷攻關(guān)，逐步實現(xiàn)高性能儀器產(chǎn)品國產(chǎn)化。