太赫兹技术及其应用详解

太赫兹研究主要集中在0.1-10 THz 频段。 这是一个覆盖很广泛并且很特殊的一个频谱区域。起初， 这一频段被称为“THz Gap （太赫兹鸿沟）”，原因是这一频段夹在两个发展相对成熟的频，即电子学频谱和光学频谱之间。 其低频段与电子学领域的毫米波频段有重叠， 高频段与光学领域的远红外频段（波长0.03-1.0 mm） 有重叠。 由于这一领域的特殊性， 形成了早期研究的空白区。 但随着研究的开展， 太赫兹频谱与技术对物理、化学、生物、电子、射电天文等领域的重要性逐渐显现， 其应用也开始渗透到社会经济以及国家安全的很多方面， 如生物成像、THz 波谱快速检测、高速通信、穿墙雷达等。 太赫兹之所以具有良好的应用前景， 主要得益于其光谱分辨力、安全性、透视性、瞬态性和宽带等特性。

例如： 自然界中许多生物大分子的振动和旋转频率都处在太赫兹频段， 这对检测生物信息提供了一种有效的手段; 太赫兹频段光子能量较低， 不会对探测体造成损坏， 可以实现无损检测; 太赫兹波对介质材料有着良好的穿透能力， 从而可作为探测隐蔽物体的手段; 太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒量级， 可以得到高信噪比的太赫兹时域谱， 易于对各种材料进行光谱分析; 此外， 太赫兹频段的带宽很宽， 从0.1-10 THz可为超高速通信提供丰富的频谱资源。

相对于毫米波技术， 太赫兹技术的研究还处在探索阶段。太赫兹技术主要包括太赫兹波源、太赫兹传输和太赫兹检测等，其关键部件可以分为无源元件和有源器件。 无源元件包括太赫兹传输线、滤波器、耦合器、天线等， 而有源器件包括太赫兹混频器、倍频器、检波器、放大器、振荡器等。

 

1、太赫兹源

伴随着太赫兹波生成技术的发展， 太赫兹源的研究已有很多有价值的新进展。 研发低成本、高功率、室温稳定的太赫兹源是发展太赫兹技术的基础。 太赫兹源的分类多种多样， 按照产生机理， 可以分为基于光学效应和基于电子学的太赫兹源。按照源类型可以分成3 类： 非相干热辐射源、宽带太赫兹辐射源以及窄带太赫兹连续波源。

1.1 非相干热辐射源

非相干热辐射源在热平衡的情况下将热能转换为光能， 产生连续的光谱。 主要例子如日常生活中的太阳， 以及白炽灯。 由于其产生的太赫兹波功率很低， 应用前景较为局限。

1.2 宽带太赫兹辐射源

宽带太赫兹辐射源目前主要应用于光谱系统， 主要由周期为几十到几百个飞秒的脉冲产生，在频谱上包含高达几十太赫兹的超宽频谱分量。 产生方法包括：

a） 光导天线：光导天线进行太赫兹辐射的主要机理是光导天线在光脉冲的照射下产生载流子， 并在电场作用下加速运动， 在表面产生瞬态电流，进而辐射太赫兹电磁波，其特点是具有较高的输出能量。 近年来， 国内外开展了很多关于光导天线产生宽带太赫兹波的研究。

b） 光整流法： 光整流法是利用非线性的光整流效应， 使两个光束或者一个高强度的单色光束在介质中传播时产生差频或和频振荡，其特点是可以实现太赫兹超宽带输出， 但是输出能量相对不高。 基于此原理， 太赫兹辐射源得到了长足的发展。

c） 空气等离子法： 空气等离子法的原理是利用激光聚焦击穿空气产生太赫兹辐射。

d） 半导体表面： 基于半导体表面的太赫兹辐射源的基本工作原理可以总结成表面电场效应和光生丹培效应。 对于某些宽带隙的半导体材料， 其表面存在表面态， 由于表面和内部的费米能级不一致， 会形成表面电场。 在这个电场作用下， 被激光激发的载流子会形成瞬态电流， 从而形成太赫兹辐射。 对于某些窄带隙半导体材料， 由于其吸收系数很大， 大量的载流子会在半导体表面形成， 其中的电子和空穴在向半导体内扩散的时候使正负电荷在空间中分离， 形成光生丹培电场， 辐射太赫兹波。 这种方式的特点是简单易操作， 但辐射功率较低。

1.3 窄带太赫兹连续波源

窄带太赫兹辐射源的目标是产生连续的线宽很窄的太赫兹波。 常用的方法包括：

a） 利用电子学器件设计振荡器， 尤其是以亚毫米波振荡器为基础， 提高振荡器的工作频率， 以设计实现适合太赫兹频段的振荡器。 由于这一特点， 目前报道的太赫兹源的工作频率主要集中在较低的太赫兹频段。但是， 在此基础上利用倍频链已获得了1THz 左右甚至更高频率的太赫兹波。

b） 太赫兹量子级联激光器（THz-QCL） 作为相干光源的一种，是基于导带子带电子能态间跃迁和声子共振辅助隧穿实现粒子数反转。 随着量子级联激光器的迅速发展， 可以用来研究微小尺度的物质运动， 比如电子微观输运， 纳米光子学等。 同时由于其结构紧凑， 使之在很多领域具有很高的应用价值， 如天体物理和大气科学、空间通讯、精密光谱测量、安检领域和太赫兹成像等。

c） 自由电子激光器是将在磁场中运动的相对论电子束的动能转换为光子能量， 从而产生激光， 其特点是具有高能量和高相干性。 由于其连续性，辐射波长可以调谐到任何波长， 非常适合用作太赫兹辐射源， 但自由电子激光器的缺点是功耗高、体积大和费用昂贵， 因此自由电子激光器基本上用在实验室环境中。

d） 光泵太赫兹激光器： 太赫兹频段符合许多极性分子的转动能级， 光泵太赫兹激光器使这些极性分子的转动能级间的粒子数反转，从而产生太赫兹辐射。 国内外相关工作中， 常用的气体有CH3F 、NH3、D2O 、CH3OH 等。

e） 差频太赫兹辐射源： 差频太赫兹辐射源主要利用非线性晶体的差频效应来产生相干窄带的太赫兹辐射。 这种方法中， 需要两束不同波长的激光， 即频率不同， 以一定角度泵浦非线性晶体， 例如GaSe、ZnGeP2、GaAs、GaP、LiNbO3 以及有机晶体DAST 等。 太赫兹波的频率取决于泵浦光波长， 可以方便进行调谐。

f） 光参量法： 光参量法是利用一束泵浦光入射晶体， 激发出斯托克斯光和电磁耦子。 在泵浦光和斯托克斯光的共同作用下， 电磁耦子发生受激拉曼散射， 实现太赫兹辐射。

2、 太赫兹传输

由于太赫兹波在空气中的损耗较大， 所以其传输结构是一个不可或缺的部分。对不同传输结构的损耗和色散特性的研究，逐渐成为了太赫兹领域的研究热点。。各国科研人员都在努力寻找低损耗、低色散、高功率容量的太赫兹传输结构，也就是寻找适合传输太赫兹波的材料和结构。就研究方法而言， 主要是根据太赫兹频段在波谱中夹在毫米波频段和光学频段之间这一特性，人们试图将在这些频段成熟的传输材料进行改进应用到太赫兹频段， 这些尝试包括金属圆波导、平行平面金属波导、金属线波导、带有金属涂层的介质波导、全介质波导、亚波长周期孔阵列、椭圆形空心光纤包层的微结构光纤、双线传输结构、光子晶体等。 如上所述，太赫兹频段的传输结构有很多选择， 需要针对不同的需求选择合适的导波结构。 同时仍需要寻找更低损耗和色散的太赫兹传输线材料和结构。

3、太赫兹检测

类似于太赫兹源， 其检测方式可以分为非相干检测和相干检测。

3.1 非相干检测

非相干检测， 即直接检测， 是指利用检波器将检波信号直接转化为电流或电压信号， 得到被测信号的幅度信息。 这种检测方式结构简单、动态范围宽， 适合于对毫米波、远红外线、可见光等频段的检测。 它的一个显著优点是可采用大规模检波阵列进行检测。 然而， 由于其相位信息的缺失， 它难以实现超高分辨率。 用于直接检测的检波器一般分为非制冷型检波器和制冷型检波器。 非制冷型检波一般工作于室温环境， 具有中等的灵敏度和较长的响应时间。制冷型检波器由于其工作温度很低， 可以获得很高的灵敏度和较快的反应时间。

3.2 相干检测

不同于非相干检测， 相干检测通常采用类似于传统通信系统中的超外差结构，先将太赫兹信号变换到较低的微波毫米波频段，再采用传统的方式提取信号的幅度和相位。 由于采用了变频方式，相干检测系统较为复杂，需要混频器等关键元器件，同时对混频器以及太赫兹本振源提出了较高的要求， 比如较高的输出功率和较低的噪声等。 值得一提的是， 由于可检测到相位信息，可以获得较高