中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一四研究所

周智偉

20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著一系列新技術(shù)、新材料的發(fā)展，特別是超快技術(shù)的發(fā)展，寬帶穩(wěn)定脈沖太赫茲源逐漸普及，推動(dòng)了太赫茲技術(shù)的迅速發(fā)展，并掀起一股太赫茲研究熱潮。2004年，美國(guó)麻省理工學(xué)院評(píng)出了“改變未來(lái)世界的十大技術(shù)”，太赫茲技術(shù)是其中之一；2005年，日本政府列出了“國(guó)家支柱十大重點(diǎn)戰(zhàn)略技術(shù)”，太赫茲技術(shù)名列榜首；歐洲、澳大利亞等國(guó)政府、研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)、企業(yè)紛紛投入太赫茲技術(shù)研發(fā)的熱潮中。

太赫茲技術(shù)概述

太赫茲波指頻率在0.1THz（1012Hz）～10THz范圍的電磁波（也有0.3～10THz的說(shuō)法），波長(zhǎng)大概在0.03～3mm范圍內(nèi)，介于微波與紅外光之間。太赫茲波是20世紀(jì)80年代中后期才被正式命名的，此前統(tǒng)稱為遠(yuǎn)紅外射線。

太赫茲波處于電子學(xué)與光子學(xué)的中間過(guò)渡區(qū)域，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：

（1）相比微波，太赫茲波的頻率高、帶寬大、波束發(fā)散角小，可以承載更高頻率的調(diào)制信號(hào)，大幅提高通信速率、雷達(dá)分辨率。

（2）相比紅外光，太赫茲波的透射性強(qiáng)，對(duì)大部分干燥、非金屬、非極性材料都有較好的穿透能力，可進(jìn)行透視成像、無(wú)損探測(cè)，以及在較惡劣氣象條件下成像等。

（3）頻譜“指紋”特性。大多數(shù)分子的分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)頻率都處在太赫茲頻段，因此利用太赫茲波與分子共振，可以有效識(shí)別不同的物質(zhì)組成和含量，太赫茲波在危險(xiǎn)品探測(cè)、物質(zhì)識(shí)別、醫(yī)學(xué)檢測(cè)等領(lǐng)域具有一定應(yīng)用潛力。

（4）光子能量低，生物兼容性好。1THz電磁波的光子能量為4.14meV，遠(yuǎn)低于可見(jiàn)光、紫外光，是X射線的數(shù)百萬(wàn)分之一，不會(huì)產(chǎn)生電離輻射。低功率太赫茲波可直接照射生物組織而不產(chǎn)生傷害。

二 太赫茲基礎(chǔ)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

太赫茲基礎(chǔ)技術(shù)主要研究如何產(chǎn)生、探測(cè)和控制太赫茲波，包括產(chǎn)生太赫茲波的太赫茲源、探測(cè)太赫茲波的各類探測(cè)器、傳輸/調(diào)制太赫茲的各種器件等。

（一）太赫茲源

目前太赫茲源主要有量子級(jí)聯(lián)激光器、真空太赫茲器件、加速器太赫茲源等。

1.量子級(jí)聯(lián)激光器

量子級(jí)聯(lián)激光器是利用Ⅲ-V族超晶格材料開(kāi)發(fā)的緊湊型半導(dǎo)體光源，最初用于產(chǎn)生中紅外波，自2002年起，開(kāi)始應(yīng)用于太赫茲頻段。目前，量子級(jí)聯(lián)激光器在1～5THz范圍內(nèi)具有優(yōu)異的性能，也是唯一在該頻段具有高輸出功率的緊湊型光源，可產(chǎn)生功率大于1W的激光，用于遠(yuǎn)場(chǎng)傳輸、頻率梳和脈沖發(fā)射等。盡管量子級(jí)聯(lián)激光器的運(yùn)行需要低溫冷卻，但可以用低成本的斯特林冷卻器實(shí)現(xiàn)。

2.真空太赫茲器件

真空太赫茲器件可將儲(chǔ)存的電能轉(zhuǎn)化為加速電子束的動(dòng)能，借助交互區(qū)的電磁波導(dǎo)或空腔將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電磁場(chǎng)能，主要類型包括行波管、速調(diào)管、磁控管和返波管等。由于功率密度的限制，真空太赫茲器件目前主要在0.22～1.0THz工作，功率為1MW～10mW。未來(lái)瓦級(jí)真空太赫茲器件的發(fā)展趨勢(shì)為能夠克服大氣衰減，穿透霧、灰塵或其他氣溶膠，實(shí)現(xiàn)千兆移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信、高分辨率雷達(dá)成像、非侵入性醫(yī)療診斷、材料表征、射電天文學(xué)研究等。

3.加速器太赫茲輻射源

加速器太赫茲輻射源主要利用電場(chǎng)或磁場(chǎng)作用于加速器產(chǎn)生的相對(duì)論電子，產(chǎn)生波長(zhǎng)在真空紫外到X射線頻段的電磁波。加速器輻射源的主要優(yōu)點(diǎn)是具有獨(dú)特的光譜亮度、功率、極值場(chǎng)和脈沖能量。加速器太赫茲源已在全球范圍內(nèi)得到廣泛使用，最常用的是同步紅外輻射加速器和自由電子激光器。同步紅外輻射加速器是有限光譜測(cè)量和近場(chǎng)超寬帶顯微鏡的主要光源，而自由電子激光器主要用于化學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域，如研究稀釋系統(tǒng)或單個(gè)分子的紅外光譜。

（二）太赫茲成像探測(cè)器

太赫茲成像探測(cè)器包括單探測(cè)器、陣列和焦平面陣列成像探測(cè)器等。成像器件的整體性能由光學(xué)特性（如光源功率、系統(tǒng)損耗和探測(cè)器靈敏度）決定。無(wú)論采用哪種成像方法，所有太赫茲成像系統(tǒng)都嚴(yán)重依賴太赫茲源的功率和探測(cè)器的響應(yīng)度。

時(shí)域成像系統(tǒng)主要使用光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)或硒化鋅晶體等對(duì)短脈沖進(jìn)行高速整流，該成像系統(tǒng)具有較高的頻率帶寬，但其太赫茲源功率一般較低，雖可用同步檢測(cè)予以克服，但總體上圖像采集時(shí)間比較長(zhǎng)，需要進(jìn)一步發(fā)展。

標(biāo)量成像系統(tǒng)的構(gòu)建相對(duì)簡(jiǎn)單，但對(duì)太赫茲源的功率要求較高。對(duì)于1THz以下的成像系統(tǒng)，可使用真空電子器件產(chǎn)生連續(xù)太赫茲波，如Gunn振蕩器、返波管和二極管倍增源。而在中紅外波段，量子級(jí)聯(lián)激光器具有優(yōu)異的性能，但需要冷卻，并且只能發(fā)射脈沖。

太赫茲探測(cè)器的主要發(fā)展方向是改善噪聲等效功率、響應(yīng)度，提高其集成潛力。

（三）光電導(dǎo)裝置

光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)是一種既可以生成寬帶太赫茲波，又可以檢測(cè)寬帶太赫茲波的裝置。20世紀(jì)80年代起，光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)就廣泛應(yīng)用于太赫茲時(shí)域光譜測(cè)量中。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，原始半導(dǎo)體硅-藍(lán)寶石光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)已被低溫生長(zhǎng)的砷化鎵（GaAs）替代，而銦鎵砷（InGaAs）和基于石墨烯的光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)正在快速發(fā)展，為太赫茲時(shí)域光譜測(cè)量提供低成本、便攜式、穩(wěn)定可靠的超短脈沖源。目前，單個(gè)半導(dǎo)體納米粒子已用于制造光電導(dǎo)檢測(cè)器，有望使微米和納米電路與光學(xué)系統(tǒng)集成。當(dāng)前基于光電導(dǎo)器件的太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍已經(jīng)達(dá)到90dB，典型頻譜覆蓋0.05THz、2～6THz之間。

（四）無(wú)源太赫茲器件

對(duì)于無(wú)源太赫茲器件，太赫茲波導(dǎo)無(wú)需光學(xué)對(duì)準(zhǔn)即可與太赫茲有源器件（太赫茲源、探測(cè)器等）集成，但損耗一般較大。用于太赫茲頻率的高性能波導(dǎo)由3類材料制造：全金屬、金屬-電介質(zhì)和全 電介質(zhì)。金屬管波導(dǎo)已經(jīng)存在了一個(gè)多世紀(jì)，但直到2016年，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織才同意金屬管波導(dǎo)在0.1THz頻率以上運(yùn)行，而IEEE P1785工作組則提出了高達(dá)5THz的標(biāo)準(zhǔn)。金屬-電介質(zhì)矩形/圓形波導(dǎo)的概念于1963年提出，目前由低損耗電介質(zhì)材料制成的波導(dǎo)，在0.15THz時(shí)的損耗低至0.0037dB/m，由高損耗電介質(zhì)材料制成的波導(dǎo)，在0.3THz時(shí)的損耗低于1dB/m。全電介質(zhì)波導(dǎo)雖然避免了趨膚效應(yīng)損耗，但絕緣效果較差。

傳統(tǒng)的光學(xué)元件也可用于太赫茲頻段，但此頻段的器件性能遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)頻段的器件性能。例如，線柵偏振器是在太赫茲頻段工作的偏振器，但消光比較低，且元件成本高。近年來(lái)，已有使用異質(zhì)材料制造太赫茲偏振器的相關(guān)研究，如液晶和碳納米管，其消光比可達(dá)50dB。波片是一種控制偏振的常用光學(xué)元件，最近，有研究利用堆疊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)制造了在2.0～3.1THz工作的寬帶波片。濾波片是光譜應(yīng)用的重要元件，金屬網(wǎng)濾波片已可用于毫米波段，正在向太赫茲頻段延伸。

三 太赫茲應(yīng)用技術(shù) 發(fā)展現(xiàn)狀

太赫茲應(yīng)用技術(shù)的研究方向主要包括頻譜應(yīng)用、成像應(yīng)用、通信應(yīng)用，這些應(yīng)用在國(guó)防安全領(lǐng)域也有潛在應(yīng)用價(jià)值。

（一）太赫茲頻譜應(yīng)用

1.時(shí)域頻譜測(cè)量

太赫茲時(shí)域頻譜技術(shù)是一種可同時(shí)獲取太赫茲脈沖與物質(zhì)相互作用的電場(chǎng)強(qiáng)度和位相信息的技術(shù)。經(jīng)處理后能夠精確地表征樣品的光學(xué)、電學(xué)和介電特性隨太赫茲頻率變化的特征。1988年,人類首次實(shí)現(xiàn)太赫茲時(shí)域頻譜測(cè)量，可測(cè)量樣品的透射率、折射率、吸收系數(shù)、介電常數(shù)等。20世紀(jì)90年代初，鎖模鈦藍(lán)寶石激光器被用于太赫茲時(shí)域頻譜技術(shù)，探測(cè)器也改為低溫生長(zhǎng)的砷化鎵器件。這種太赫茲時(shí)域頻譜系統(tǒng)可對(duì)直徑幾厘米的物體進(jìn)行二維成像。在此基礎(chǔ)上，目前已經(jīng)發(fā)展出太赫茲斷層掃描和太赫茲近場(chǎng)/暗場(chǎng)/單像素成像系統(tǒng)。

2.表征半導(dǎo)體和納米結(jié)構(gòu)

在激光源太赫茲時(shí)域頻譜技術(shù)誕生后，有研究將其用于半導(dǎo)體和納米結(jié)構(gòu)的表征。2000年，有研究人員發(fā)表了利用太赫茲波以非接觸方式在非皮秒時(shí)間尺度上測(cè)量砷化鎵瞬態(tài)光電導(dǎo)率的成果。目前，由光電導(dǎo)天線制成的具有亞皮秒時(shí)間分辨率的非接觸式探頭，已可在10～100fs時(shí)間尺度內(nèi)，表征了砷化鎵中電子-空穴等離子體生成光子后的庫(kù)侖掩蔽和等離子激元散射現(xiàn)象。

3.無(wú)損檢測(cè)和分子光譜

太赫茲波對(duì)半導(dǎo)體、聚合物、陶瓷及其復(fù)合材料具有較強(qiáng)的穿透能力，可用于無(wú)接觸檢測(cè)，且太赫茲波光子能量低，不會(huì)對(duì)材料造成影響，這種測(cè)量是無(wú)損的。在工業(yè)和科學(xué)研究領(lǐng)域，使用太赫茲光譜可以在遠(yuǎn)場(chǎng)獲得數(shù)百微米級(jí)空間分辨率的圖像，探究物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。太赫茲時(shí)域光譜檢測(cè)已經(jīng)應(yīng)用在電子、制藥、催化、食品、復(fù)合材料、藝術(shù)品保護(hù)及汽車等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了非破壞性檢測(cè)。

（二）太赫茲成像應(yīng)用

1.顯微成像

太赫茲頻帶是許多凝聚態(tài)物質(zhì)的低能量激發(fā)能級(jí)對(duì)應(yīng)頻帶，包括等離子激元、聲子、磁子和誘導(dǎo)能隙。利用時(shí)間分辨太赫茲顯微成像系統(tǒng)可以研究納米系統(tǒng)的瞬態(tài)行為。然而，太赫茲顯微成像系統(tǒng)的空間分辨率有限，只能測(cè)量納米系統(tǒng)的整體復(fù)數(shù)電導(dǎo)率，需要建模分析單個(gè)納米結(jié)構(gòu)、形狀的相關(guān)局部效應(yīng)。

近期，具有單個(gè)相干光子靈敏度的超寬帶電光采樣技術(shù)開(kāi)始用于近場(chǎng)太赫茲顯微鏡，將太赫茲光譜成像系統(tǒng)的空間分辨率提高到亞納米粒子尺度。此外，太赫茲掃描隧道顯微鏡也取得了一定發(fā)展。這種顯微鏡兼具高空間分辨率和超快速成像能力，在首次演示中，對(duì)大約2nm尺度的納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行了成像。

2.生物成像

太赫茲波可與生物分子共振，并且?guī)缀醪粫?huì)損傷生物組織，實(shí)現(xiàn)活體成像。

太赫茲生物成像主要有兩方面應(yīng)用：在分子水平，主要是利用太赫茲波激發(fā)生物分子振動(dòng)，檢測(cè)分子動(dòng)作；在生物組織水平，主要是利用生物組織和細(xì)胞的不同成分對(duì)太赫茲波的吸收率不同來(lái)進(jìn)行組織或細(xì)胞成像。這種圖像的灰度變化反映了組織的不同介電特性，可用于分辨疾病或損傷組織。

3.醫(yī)療診斷

太赫茲波在醫(yī)療診斷領(lǐng)域的應(yīng)用是依靠不同含水量的組織對(duì)太赫茲波的吸收不同實(shí)現(xiàn)的。觀察人體組織的太赫茲透射圖像，并依據(jù)不同組織含水量的差別來(lái)分辨正常組織和病變組織。例如，英國(guó)TeraView公司開(kāi)發(fā)了一種便攜式液體太赫茲成像系統(tǒng)，被劍橋醫(yī)院皮膚科診所用于診斷皮膚癌。目前，太赫茲成像技術(shù)已經(jīng)在乳腺癌、結(jié)腸癌、燒傷和角膜水化等領(lǐng)域獲得了驗(yàn)證，并已開(kāi)展工程設(shè)計(jì)。

（三）太赫茲通信應(yīng)用

隨著世界范圍內(nèi)無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，60GHz頻帶已經(jīng)獲得各國(guó)重視，而對(duì)于更高容量的無(wú)線數(shù)據(jù)系統(tǒng)，研究人員正在研究太赫茲通信頻段（0.1～10THz）的可用帶寬。目前，已有研究展示了W波段（75～95GHz）和100GHz以上頻段的太赫茲通信。利用直接檢測(cè)肖特基勢(shì)壘二極管，可在0.3THz下實(shí)現(xiàn)48Gbit/s的雙通道多輸入多輸出實(shí)時(shí)通信。近期，有研究利用下變頻技術(shù)在多頻帶亞太赫茲通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了10048Gbit/s的下行通信速率，以及1048Gbit/s的上行通信速率。

（四）在國(guó)防安全領(lǐng)域的應(yīng)用

太赫茲頻譜系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、通信系統(tǒng)在國(guó)防安全領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用。

在0.15THz以上運(yùn)行的成像系統(tǒng)可用于檢查點(diǎn)的篩選、情報(bào)收集、人體掃描等。太赫茲波可以被許多有機(jī)分子吸收及被導(dǎo)電材料反射，用低功率太赫茲波直接非接觸掃描人體，能發(fā)現(xiàn)人員隨身攜帶的隱藏違禁物品，如毒品、炸藥、槍械等，且不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生任何損傷。目前在0.15THz、0.34THz、0.68THz頻帶已經(jīng)獲得了大量成像結(jié)果，驗(yàn)證了太赫茲安檢系統(tǒng)的可用性。歐洲隱藏物體實(shí)時(shí)成像團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)太赫茲成像安檢儀。

太赫茲波與磷化銦集成電路結(jié)合，可制造0.85THz及以上的雷達(dá)、通信系統(tǒng)。目前，關(guān)注度較高的研究是使用0.23THz雷達(dá)系統(tǒng)透過(guò)退化大氣環(huán)境進(jìn)行成像，用于在燈火管制下著陸直升機(jī)，或飛機(jī)透過(guò)低空云瞄準(zhǔn)目標(biāo)。此外，太赫茲波具有比微波更寬的頻譜、更高的時(shí)間檢測(cè)精度和分辨率，可對(duì)隱身目標(biāo)成像。常用雷達(dá)吸波隱身材料只能吸收較有限帶寬的電磁波，而太赫茲雷達(dá)的寬帶特性能夠使隱身吸波涂層失去作用。

此外，太赫茲波還可用于裝備的無(wú)損探測(cè)。例如，哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)失事后，美國(guó)采用中心頻率為1THz的太赫茲波對(duì)航天飛機(jī)的絕熱泡沫層進(jìn)行探測(cè)和成像，成功檢測(cè)出泡沫層內(nèi)的缺陷。該技術(shù)在戰(zhàn)略導(dǎo)彈、航空航天結(jié)構(gòu)材料檢測(cè)和評(píng)估方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值，已被美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）選擇為缺陷檢測(cè)技術(shù)之一。洛克希德·馬丁公司也開(kāi)發(fā)了太赫茲?rùn)z測(cè)系統(tǒng)，用以保障F-35戰(zhàn)斗機(jī)的生產(chǎn)質(zhì)量。（未完待續(xù)）