全面剖析赫茲技術(shù)及其應(yīng)用

太赫茲波段自從19世紀(jì)后期正式命名之后，收到歐美日中等多個國家的高度關(guān)注，各國紛紛將其入選改變世界的技術(shù)評比之中。尤其是中國，在當(dāng)今的研究甚至超越了美日，名列世界前茅。

自從正式命名之后，涉及太赫茲波段的研究結(jié)果和數(shù)據(jù)卻非常稀少，在此頻段上，既不完全適合用光學(xué)理論來處理，也不完全適合微波的理論來研究，另外在很大程度上受限于有效的太赫茲源和探測器，因此這一波段一度被稱為Terahertz Gap“太赫茲鴻溝”。由于太赫茲波在電磁波譜中的特殊位置，其表現(xiàn)出優(yōu)越的特性，太赫茲科學(xué)技術(shù)已成為本世紀(jì)最為重要的科技問題之一。

太赫茲波

太赫茲波是指頻率范圍為0.1~10.0THz的電磁波，波長范圍為0.03~3.00mm，介于微波頻段與紅外之間，屬于遠(yuǎn)紅外波段，此波段是人們所剩的最后一個未被開發(fā)的波段，兼具二者的優(yōu)點。

太赫茲電磁波頻譜

太赫茲波的優(yōu)越特性

由于太赫茲在電磁波譜中有著特殊的位置，因此，它有一系列的優(yōu)越性，而這優(yōu)越性使其具有很好的應(yīng)用前景。其主要特性如下：

1) 波粒二相性：

太赫茲輻射是電磁波，因此它具有電磁波的所有特性。太赫茲波具有干涉、衍射等波動特性，在與物質(zhì)相互作用時，太赫茲波顯示出了粒子特性。

2) 高透性：

太赫茲對許多介電材料和非極性物質(zhì)具有良好的穿透性，可對不透明物體進(jìn)行透視成像，是X射線成像和超聲波成像技術(shù)的有效互補，可用于安檢或質(zhì)檢過程中的無損檢測。另外，太赫茲在濃煙、沙塵環(huán)境中傳輸損耗很少，是火災(zāi)救護(hù)、沙漠救援、戰(zhàn)場尋敵等復(fù)雜環(huán)境中成像的理想光源。

3) 安全性：

相對于 X 射線有千電子伏的光子能量，太赫茲輻射的能量只有毫電子伏的數(shù)量級。它的能量低于各種化學(xué)鍵的鍵能，因此它不會引起有害的電離反應(yīng)。這點對旅客身體的安全檢查和對生物樣品的檢查等應(yīng)用至關(guān)重要。另外，由于水對太赫茲波有非常強(qiáng)烈的吸收性，太赫茲波不能穿透人體的皮膚。因此，即使強(qiáng)烈的太赫茲輻射，對人體的影響也只能停留在皮膚表層，而不是像微波可以穿透到人體的內(nèi)部。

4) 光譜分辨特性：

許多有機(jī)分子，如生物大分子的振動和旋轉(zhuǎn)頻率都在太赫茲波段，所以在太赫茲波段表現(xiàn)出很強(qiáng)的吸收和色散特性。物質(zhì)的太赫茲光譜(發(fā)射、反射和透射光譜)包含豐富的物理和化學(xué)信息，使得它們具有類似指紋一樣的唯一特點。因此，太赫茲光譜成像技術(shù)不僅能夠分辨物體的形貌，還能識別物體的組成成分。為緝毒、反恐、排爆等提供了可靠的相關(guān)理論依據(jù)和探測技術(shù)。

5) 很高的時間和空間相干性：

太赫茲輻射是由相干電流驅(qū)動的偶極子振蕩產(chǎn)生，或是由相干的激光脈沖通過非線性光學(xué)差額效應(yīng)產(chǎn)生，因此具有很高的時間相干性和空間相干性。

太赫茲技術(shù)

太赫茲技術(shù)的研究主要集中在太赫茲輻射、太赫茲探測、太赫茲通信和太赫茲成像等方面。其中，高效的太赫茲輻射源和探測技術(shù)是推動太赫茲技術(shù)走向應(yīng)用的關(guān)鍵。

太赫茲輻射技術(shù)

在太赫茲諸多技術(shù)的研究中，太赫茲輻射源的研究占據(jù)了很重要的位置。太赫茲輻射的產(chǎn)生主要有3種途徑：

●基于電子學(xué)技術(shù)的太赫茲輻射源，包括返波管、耿氏振蕩器以及固態(tài)倍頻源等，這是毫米波技術(shù)向高頻方向的擴(kuò)展，這類太赫茲輻射源工作于1 THz以下，輸出功率通常在數(shù)十微瓦到毫瓦量級；

●基于光子學(xué)技術(shù)的太赫茲輻射源，包括量子級聯(lián)激光器、自由電子激光器和氣體激光器等，這是激光技術(shù)向低頻方向的延伸，這類太赫茲輻射源輸出功率較大，具有很好的應(yīng)用潛力?；谔掌澕す馄鞯墓忸l梳技術(shù)在高分辨成像和成譜應(yīng)用方面的前景廣闊；

●基于超快激光技術(shù)的太赫茲輻射源，這類技術(shù)是1 THz附近向高頻和低頻方向同時發(fā)展的太赫茲輻射源技術(shù)，這類太赫茲輻射源具有脈寬窄、峰值功率高等優(yōu)點，但是存在能量轉(zhuǎn)換效率和平均輸出功率低的問題。

因此，探索實現(xiàn)室溫、高輸出功率、連續(xù)可調(diào)諧和小型化的輻射源將大大促進(jìn)太赫茲技術(shù)的研究，也是當(dāng)前太赫茲領(lǐng)域的重要發(fā)展目標(biāo)。

太赫茲探測技術(shù)

太赫茲探測技術(shù)也是太赫茲技術(shù)研究的一個重要組成部分，它涉及到物理學(xué)、光電子學(xué)、材料科學(xué)和半導(dǎo)體技術(shù)等，是一門綜合性很強(qiáng)的技術(shù)。按照探測的原理可以分為太赫茲熱探測器和太赫茲光子型探測器兩大類。

●太赫茲熱探測器的工作原理為：探測材料吸收太赫茲輻射，引起材料溫度、電阻等參數(shù)的改變，再將其轉(zhuǎn)換為電信號。

常見的太赫茲熱探測器主要包括氘化硫酸三甘肽焦熱電探測器、微機(jī)械硅bolometer 探測器以及鉭酸鋰焦熱電探測器、超導(dǎo)隧道結(jié)和熱電子混頻器等。

●在太赫茲光子探測器中，電磁輻射被材料中的束縛電子或自由電子直接吸收，引起電子分布的變化，進(jìn)而給出電信號輸出。

常見的太赫茲光子探測器有太赫茲量子阱探測器、肖特基二極管和高遷移率晶體管等離子體波太赫茲探測器等。熱探測器的極限探測靈敏度與探測器工作溫度成正比，因此高靈敏太赫茲熱探測器需要低溫工作。

太赫茲光子探測器通常有高的損傷閾值和大的線性響應(yīng)范圍，探測靈敏度和響應(yīng)速度間不存在相互制約，可以同時具備高探測靈敏度和快速響應(yīng)能力。

超導(dǎo)HEB 混頻器的顯微放大圖

THz量子阱探測器工作原理示意圖：(a)器件結(jié)構(gòu)；(b)器件能帶結(jié)構(gòu)和工作原理

太赫茲通信技術(shù)

太赫茲通信技術(shù)建立在傳統(tǒng)無線通信的基礎(chǔ)之上，由于太赫茲通信系統(tǒng)具有帶寬大、傳輸速率高、保密性好等特點，隨著現(xiàn)代社會對無線通信速率的要求不斷提高，利用太赫茲波作為載波進(jìn)行無線通信成為現(xiàn)代通信技術(shù)發(fā)展的必然。

太赫茲通信的應(yīng)用場景包括短距離高速無線通信、空間通信和復(fù)雜軍事環(huán)境條件下的保密通信等。

目前太赫茲通信還處在關(guān)鍵器件的研究開發(fā)、太赫茲通信系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)方案的可行性論證以及實驗室的研究與仿真演示階段，亟需研制高性能的太赫茲固態(tài)器件，解決太赫茲信號的調(diào)制和信號處理技術(shù)，并制定相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

因此，太赫茲通信技術(shù)可以實現(xiàn)更高速率的信息傳輸，搶占帶寬資源，這不僅具有很高的經(jīng)濟(jì)價值，還具有非常高的戰(zhàn)略意義。

THz通信技術(shù)應(yīng)用構(gòu)想圖：太赫茲鏈路應(yīng)用于基站間和設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸

太赫茲成像技術(shù)

由于太赫茲頻段光子能量較低，不會對被測物體造成損壞，并且對某些非極性材料具有良好的穿透能力，因此利用太赫茲波的穿透性和安全性等優(yōu)點進(jìn)行成像技術(shù)開發(fā)，可對被測物體進(jìn)行成像，從而實現(xiàn)無損檢測和安全檢查。

根據(jù)成像機(jī)理，太赫茲成像分為被動式成像和主動式成像：

●被動式成像是通過太赫茲探測器對被測物體自身的輻射能量進(jìn)行探測, 利用不同物質(zhì)輻射強(qiáng)度的差異來實現(xiàn)成像和辨別。被動式成像是一種相對安全的成像方式，但是成像系統(tǒng)對信號本身的強(qiáng)度以及接收機(jī)的靈敏度要求較高。

●太赫茲主動式成像主要是通過太赫茲輻射源發(fā)射一定強(qiáng)度的太赫茲信號并照射到被測物體，利用太赫茲探測器接收被測物的反射波或者透射波，通過成像系統(tǒng)對探測器探測到的振幅和相位信息進(jìn)行分析處理，得到被照射物體的圖像。主動式成像系統(tǒng)可以對包括塑料、生物組織等非金屬材料進(jìn)行檢測，并且可以有效地進(jìn)行三維成像。

利用太赫茲多彩成像裝置成功實現(xiàn)對隱藏的農(nóng)藥殘留物草酸銅、抗生素甲萘醌和維生素K的無損鑒別

太赫茲技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

自1896年和1897年，Rubens和Nichols開始對太赫茲波段進(jìn)行先期探索，太赫茲技術(shù)已經(jīng)有一百多年的歷史，在這一百多年間太赫茲科學(xué)與技術(shù)得到了初步的發(fā)展，許多重要理論和初期的太赫茲器件相繼問世[3]。現(xiàn)代太赫茲科學(xué)與技術(shù)的真正發(fā)展則是在20世紀(jì)80年代中期，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，使得獲得寬帶穩(wěn)定的脈沖太赫茲源成為一種常規(guī)技術(shù)，太赫茲技術(shù)也從此得以迅速發(fā)展。

根據(jù)太赫茲輻射的重大應(yīng)用前景，從20世紀(jì)90年代中期開始美國國家基金會、航天局、國防部和國家衛(wèi)生學(xué)會等政府或軍事部門，對太赫茲科學(xué)研究項目持續(xù)提供了較大規(guī)模的資金支持，太赫茲技術(shù)被美國評為“改變未來世界的十大技術(shù)”之一。歐洲國家除了各國自己所支持的研究項目以外，還利用歐盟的資金共同組織了跨國界、多學(xué)科、大型的合作研究項目，如Teravision、THz-Bridge、STARTIGER等。

日本政府近年來對太赫茲科研的投入大量經(jīng)費，并于2005年1月8日將太赫茲科技列為“國家支柱技術(shù)十大重點戰(zhàn)略目標(biāo)”之首。目前，世界上約有130多家研究機(jī)構(gòu)開展了相關(guān)的光電子材料、太赫茲激光器、太赫茲光譜學(xué)及相關(guān)生物醫(yī)學(xué)成像等研究。

不同于微波毫米波和紅外線領(lǐng)域，在太赫茲方面，我國與國外差距較小。2005 年，科技部、中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委聯(lián)合召開的以“太赫茲科學(xué)技術(shù)”為主題的科學(xué)會議，成為我國太赫茲研究工作的里程碑。至今，國內(nèi)已有 30 多家單位從事太赫茲科學(xué)技術(shù)研究工作，正逐漸在國際太赫茲科學(xué)技術(shù)的研究中占有一席之地。

伴隨著材料學(xué)、半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)逐漸擁有了研究太赫茲技術(shù)的基礎(chǔ)條件，科研人員也克服了重重困難，取得了非?？上驳某删?。單從論文發(fā)表的數(shù)量上，我國已經(jīng)達(dá)到世界較為領(lǐng)先的地位，但是從科研到產(chǎn)業(yè)化的速度和能力，與歐美國家還存在較大差距。

至今除了航天、國防領(lǐng)域以外，太赫茲技術(shù)的大范圍應(yīng)用并沒有如期而至，民用消費行業(yè)內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用似乎仍然遙遙無期。唯有北京航天易聯(lián)科技發(fā)展有限公司的太赫茲安檢系統(tǒng)在G20上的出現(xiàn)讓人眼前一亮。遺憾的是，從測試的具體效果來看，還是和TeraView，Brijiot， ThruVision，TeraSense等歐美公司有較大的差距。

產(chǎn)業(yè)的投資可以說并不比歐美遜色，科研機(jī)構(gòu)幾乎覆蓋了太赫茲領(lǐng)域的方方面面，從基礎(chǔ)材料，單個探測器，發(fā)射器組件，到系統(tǒng)級整合應(yīng)用都有所涉及。同時國內(nèi)的的科研單位和研發(fā)企業(yè)的迅猛發(fā)展，讓太赫茲測試測量領(lǐng)域的美國巨頭VDI（Virginia Diodes，Inc）也感到了壓力，不顧企業(yè)利潤，向國內(nèi)停售了起絕大部分高性能設(shè)備及系統(tǒng)。

太赫茲技術(shù)的應(yīng)用

太赫茲波兼具微波和紅外的優(yōu)異特性，同時包含了豐富的物理和化學(xué)信息，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、雷達(dá)通訊、軍事、航空航天、天文觀測等領(lǐng)域。太赫茲科學(xué)技術(shù)是電磁學(xué)、激光物理學(xué)、半導(dǎo)體物理學(xué)等多個學(xué)科的交叉技術(shù)，并且為這些學(xué)科的研究提供了新的研究方法和手段，在基礎(chǔ)物理學(xué)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。

1、太赫茲波成像技術(shù)

太赫茲成像技術(shù)相對于可見光和X射線有非常強(qiáng)的互補特征，其穿透能力介于兩者之間，又不會對人體或生物組織造成傷害。太赫茲波在材料研究、安檢、生物和醫(yī)學(xué)中的各種成像應(yīng)用是目前開展得最廣泛的研究。

太赫茲波成像技術(shù)可以利用相位信息進(jìn)行成像，許多干電介物質(zhì)對太赫茲波段基本是透明的，但是折射率不同會引起太赫茲波相位的變化，從而實現(xiàn)對不同材料的鑒別。例如使用太赫茲波成像技術(shù)在車站、機(jī)場對行李或旅客進(jìn)行安檢就非常理想，它可以準(zhǔn)確地檢查刀具、槍支、炸藥及非法藥品毒品等。對細(xì)胞水平的生物組織進(jìn)行成像，主要是測量不同組織及其含水量對太赫茲波的吸收引起能量的變化，例如皮癌即及其它組織表層病變的早期診斷等。

通過太赫茲TDS技術(shù)還可以同時探測太赫茲波的相位和振幅變化信息，可以實現(xiàn)對材料光譜特性的研究，例如測定摻雜半導(dǎo)體載流子的富集度和遷移率和研究高溫超導(dǎo)材料的特性等。

2、太赫茲雷達(dá)和通訊技術(shù)

太赫茲輻射具有比微波更短的波長及更高的時間精度，依此原理研制的太赫茲雷達(dá)可對目標(biāo)進(jìn)行敏感探測與監(jiān)視，太赫茲雷達(dá)在國家安全和保護(hù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

THz頻段的波長遠(yuǎn)小于通常的微波及毫米波頻段的波長,適合于極大信號帶寬和極窄天線波束的實現(xiàn),有利于實現(xiàn)目標(biāo)的高分辨率成像,且物體運動引起的多普勒效應(yīng)更為顯著,更利于檢測目標(biāo)的運動特征。這些特點使得THz雷達(dá)探測系統(tǒng)具有微小目標(biāo)探測、極高分辨率的目標(biāo)成像識別能力。雖然THz頻段的大氣衰減比較嚴(yán)重,但在太空環(huán)境下THz頻段的衰減會大大降低,因此THz探測系統(tǒng)在太空環(huán)境更容易實現(xiàn)高分辨目標(biāo)探測。

太赫茲通信是指用太赫茲波作為信息載體進(jìn)行的空間通信。因為太赫茲波介于微波與遠(yuǎn)紅外光之間，處于電子學(xué)向光子學(xué)的過渡領(lǐng)域，所以它集成了微波通信與光通信的優(yōu)點。

相對于微波通信而言：l）太赫茲通信傳輸?shù)娜萘扛?。太赫茲波的頻段在108~1013Hz之間，可提供高達(dá)10GB/s的無線傳輸速率；2）太赫茲波具有更好的保密性及抗干擾能力；3）太赫茲波束更窄、方向性更好、可以探測更小的目標(biāo)以及更精確地定位；4）由于太赫茲波波長相對更短，在完成同樣功能的情況下，天線的尺寸可以做得更小，其他的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也可以做得更加簡單、經(jīng)濟(jì)。

相對于光通信而言；1）用光子能量約為可見光的1/40的THz波作為信息載體，能量效率更高；2）THz波具有更好的穿透沙塵煙霧的能力，它可以實現(xiàn)全天候的工作。太赫茲波在通過大氣時，由于水蒸氣而導(dǎo)致的強(qiáng)吸收、低效率以及在目前可選的THz源中相對低發(fā)射功率會給太赫茲通信帶來明顯的不利影響，但是，隨著高功率的太赫茲光源、高靈敏度的探測技術(shù)及高穩(wěn)定性系統(tǒng)的日益突破，占有很多優(yōu)勢的太赫茲通信必將指日可待。

THz通信特別適合作衛(wèi)星間、星地間及局域網(wǎng)的寬帶移動通訊。將來利用太赫茲無線網(wǎng)絡(luò)下載一部DVD電影幾乎是“彈指一揮間”，幾秒鐘即可完成。太赫茲與可見光和紅外線相比，它同時具有極高的方向性及較強(qiáng)的云霧穿透能力，使得太赫茲通信可以以極高的帶寬在戰(zhàn)場中進(jìn)行定向、高保密甚至明碼軍事通信。

3、太赫茲波在航天材料領(lǐng)域的應(yīng)用

在材料鑒定方面，大多數(shù)分子均有相應(yīng)的太赫茲波段的“指紋”特征譜，研究材料在這一波段的光譜對于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)以及揭示新的物質(zhì)有著重要的意義。太赫茲技術(shù)非常適合于用來分析分子，可以通過太赫茲波激發(fā)并探測“分子振動旋轉(zhuǎn)狀態(tài)”來進(jìn)行光譜分析。它能有效地激發(fā)分子進(jìn)入各種共振模式，使分子振動或轉(zhuǎn)動。在這一過程中，分子吸收能量，在光譜儀中生成某段頻率的吸收譜線，然后就可以據(jù)此判斷出其中含有那些分子。因此，可以使用太赫茲分析他國衛(wèi)星的組成、結(jié)構(gòu)甚至材料。

由于太赫茲波有較強(qiáng)的穿透率，并且其光子能量低，只有幾個毫電子伏特，穿透時不易發(fā)生電離，因而可用于安全的無損檢測。尤其是對一些塑料泡沫等絕緣材料內(nèi)部的缺陷和裂紋等進(jìn)行無損檢測和成像，在戰(zhàn)略導(dǎo)彈及航空、航天結(jié)構(gòu)材料的檢測和評估方面具有重要的應(yīng)用價值。如對航天飛機(jī)燃料艙的隔熱材料進(jìn)行有效的無損探傷，已被美國宇航局選擇為發(fā)射中缺陷檢測的技術(shù)之一。美國使用了一套基于光學(xué)技術(shù)的太赫茲波系統(tǒng)，充分證明了太赫茲波可以對航天器燃料艙的隔熱材料進(jìn)行有效的無損探傷。

4、太赫茲波在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用

由于太赫茲波能量低，不會對生物體產(chǎn)生電離危害，能對患者進(jìn)行無損檢測和篩查。另一方面，太赫茲波對水相中物質(zhì)水含量或者化學(xué)物質(zhì)的微小變化極其敏感，不同樣本水含量的差異有利于太赫茲醫(yī)學(xué)診斷研究。太赫茲技術(shù)能夠檢測出經(jīng)過脫水處理或者石蠟包埋處理的樣本間的差異，這說明太赫茲波能夠辨別不同病理組織的組織結(jié)構(gòu)。使用太赫茲光譜鑒別正常和患病的腦組織樣本。應(yīng)用太赫茲光譜技術(shù)對人腿皮質(zhì)骨進(jìn)行了檢測。研究有助于理解太赫茲波對生物組織的響應(yīng)情況。

另外，太赫茲波空間分辨率高，太赫茲波能夠穿透表皮，太赫茲時域成像技術(shù)使用樣本的振幅和相位信息生成樣本的3D圖像。采用連續(xù)太赫茲成像技術(shù)對非黑色素皮膚癌進(jìn)行了研究， 利用太赫茲成像技術(shù)對皮下腫瘤和肝炎組織進(jìn)行了研究。因此太赫茲成像作為一種安全、無損的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)對生物組織的檢測和診斷具有重要的應(yīng)用價值和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

太赫茲技術(shù)作為一項多學(xué)科的交叉技術(shù)，有其獨特的優(yōu)勢，并具有廣闊的應(yīng)用前景，隨著太赫茲科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，太赫茲科學(xué)技術(shù)的理論不斷發(fā)展和成熟，伴隨著各類太赫茲源、檢測和傳輸器件的研發(fā)成功，太赫茲技術(shù)必將對國民經(jīng)濟(jì)和國家安全產(chǎn)生重大影響。

編輯：jq