太赫兹技术发展展望
1 太赫兹波简介
1.1 太赫兹波发现
按传统的分类形式，电磁波分成无线电波、红外线、可见光、紫外线、α射线、γ射线等。随着对电磁波的深入研究，人们发现在电磁波谱中还有一个很特
殊的位置，如图 1.1所示。
这就是太赫兹波即THz波（太赫兹波）或称为THz射线（太赫兹射线），是从上个世纪80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科学家们将统称为远
红外射线。太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长大概在0.03到3mm范围，介于微波与红外之间。实际上，早在一百年前，就有科学工作者
涉及过这一波段。在1896年和1897年，Rubens和Nichols就涉及到这一波段，红外光谱到达9um（0.009mm）和20um（0.02mm），之后又有到达50um的记载。之后的近百年时间，远红外技术取得了许多成果，并且已经产业化。但是涉及太赫兹波段的研究结果和数据非常少，主要是受到有效太赫兹产生源和灵敏探测器
的限制，因此这一波段也被称为THz间隙。随着80年代一系列新技术、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THz源成为一种准常规技术，THz技术得以迅速发展，并在实际范围内掀起一股THz研究热潮。
1.2 太赫兹波的特点
目前，国际上对太赫兹辐射已达成如下共识，即太赫兹是一种新的、有很多
独特优点的辐射源；太赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿领域，给技术创新、国民经济发展和国家安全提供了一个非常诱人的机遇。
（1）量子能量和黑体温度很低：
Wave number Wavelength Frequency Energy Blackbody Temp.
1cm-110mm30GHz120μeV 1.5K
10cm-11mm300GHz 1.2meV15K
33cm-1300μm1THz 4.1meV48K
100cm-1100μm3THz12meV140K
200cm-150μm6THz25meV290K
670cm-115μm20THz83meV960K
（2）许多生物大分子，如有机分子的振动和旋转频率都在THz波段，所以在THz波段表现出很强的吸收和谐振。
（3）THz辐射能以很小的衰减穿透物质如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等，因此可用其探测低浓度极化气体，适用于控制污染。THz辐射可无损穿透墙壁、布料，使得其能在某些特殊领域发挥作用。
（4）THz的时域频谱信噪比很高，这使得THz非常适用于成像应用
（5）带宽很宽（0.1—10T）Hz。
（6）很短的THz脉冲却有着非常宽的带宽和不同寻常的特点。
在我国未来的太空研究和探月计划中, THz波也可以提供包括星球表面特性和极区辐射特性的诸多重要信息。综上所述, THz科学不仅是科学技术发展中的重要基础问题,又是国家新一代信息产业、国家安全以及基础科学发展的重
大需求,对国民经济以及国防建设具有重大的意义。与此相适应,世界各国都对THz波的研究给予极大的关注,并部署了多个重大的国家级以及国际合作研究
计划,取得了一些突破性的成果,有些已具有实用价值。另一方面,国内在THz 研究的理论和实验方面也取得了一些重要成果,在国际上产生了一定的影响,为我国THz技术的研究和发展打下了扎实的基础。
2 太赫兹波研究现状
2.1 国外的THz研究现状
由于THz所处的特殊电磁波谱的位置，它有很多优越的特性，有非常重要
的学术和应用价值（有的已处于实用），使得全世界各国都给予极大的关注。美国、欧州和日本尤为重视。
1）在美国包括常青藤大学在内有数十所大学都在从事THz的研究工作，特别是美国重要的国家实验室，如
LLNL，LBNL，SLAC，JPL，BNL，NRL，ALS，ORNL等都在开展THz 科学技术的研究工作。美国国家基金会(NSF)、国家航天局(NASA)、能源部(DOE)和国家卫生学会(NIH)等从90年代中期开始对THz科技研究进行大规模的投入。
2）英国的Rutherford国家实验室，剑桥大学、里兹大学、Strathclyde等十几所大学，德国的KFZ，BESSY，Karlsruhe，Cohn，Hamburg及若干所大学，都积极开展THz研究工作。欧洲国家还利用欧盟的资金组织了跨国家的多学科
参加的大型合作研究项目。在俄国国家科学院专门设立了一个THz研究计划，IAP，IGP及一些大学也都在积极开展THz研究工作。
3）在亚洲国家和区域，韩国国立汉城大学、浦项科技大学、国立新加坡大学、台湾大学、台湾清华大学等都积极开展THz研究工作，并发表了不少有分量的论文。
4）日本于2005年1月8日，公布了日本国十年科技战略规划，提出十项重大关键技术，将THz列为首位。东京大学、京都大学、大阪大学、东北大学、
福井大学以及SLLSC，NTT Advanced Technology Corporation，etc．等公司都大力开展THz的研究与开发工作。
可见，目前已经在全世界范围内形成了一个THz技术研究高潮。
2.2 我国的THz研究现状
目前我国的THz研究也在国内, THz科学技术受到政府机构和各科研院校的高度关注。国家科技部、国家自然科学基金委员会等都给予了一定的支持。
特别是2005年以太赫兹科学技术为主题的第270次香山科学会议的召开,大大推动了我国THz科学技术的研究。针对国际上的研究瓶颈问题,我国在THz源、探测、成像应用以及传输等领域的理论和实验研究上形成了自己的研究特色,并取得了一些重要成果。
中科院物理所于20世纪90年代初期就建立了国内第一台时域光谱测量系统,是国际上较早开展THz研究的单位之一。近年来在超强THz脉冲的产生、THz脉冲的传播和THz波在瞬态光谱分析中的应用等方面开展了卓有成效的研
究工作。在THz脉冲产生方面,他们发现,利用飞秒激光脉冲和等离子体相互作
用中的激光脉冲静电尾波场,通过模式转换可以得到兆瓦级高功率的THz辐射[ Phys . Rev .Lett . , 94, 095003 (2005) ]。这种强THz的实现,将使人们对THz 光谱的研究进入非线性领域。他们还发现超短强激光脉冲在大气中传播时,从其形成的等离子体通道内也可以产生THz辐射。
中科院上海微系统与信息技术研究所和上海交通大学自1996年起在国内较早地开展了THz物理与器件方面的研究工作。在国际上率先成功发展了THz 辐照下的半导体输运平衡方程方法,深入细致地研究了THz辐射与半导体微结构的相互作用规律,对THz2 QCL的基本科学问题进行了深入细致的研究,并与加拿大科学家合作研制了THz2 QCL原型器件。目前在国内实验室已成功完成THz2 QCL的理论设计和性能模拟,以及器件的材料生长工作,采用自行生长的THz2 QCL材料,在国外流片上制备的THz2 QCL器件已经实现激射,其频率为3.4THz。进一步的研究目标是拓展辐射频率范围、提高工作温度和输出功率。
该研究既属于学术前沿,又属于信息领域的重大需求。
南开大学现代光学研究所通过多年的学科建设,已经建立了“飞秒激光创新研究平台”和“光纤光学研究平台”,在这两个研究领域具有良好的研究
基础和实验条件。他们并基于飞秒激光创新研究平台,在国际上率先开展了飞秒激光烧蚀推进、飞秒激光诱导空气电离显微成像以及超短脉冲激光在微细加工
过程中热与非热两种不同作用的探索性实验研究。在光纤激光器研制方面,南开大学现代光学研究所是国内最早从事大功率双包层光纤光子器件及其关键技术
研究的单位,已经出色完成了国家973计划项目、国家自然科学基金重点项目
以及国家863计划项目各1项。这些研究基础和设备条件为进一步开展THz
源方面的研究工作创造了条件。
中科院西安光学精密机械研究所也开展了基于光学技术的大功率THz源研究,主要包括研制了集成THz发射器和可饱和布拉格反射器( S BR)的腔内型THz2I R双色辐射源,利用光参量差频技术产生大功率的THz辐射,以及基于全光纤激光器的THz产生技术,并开展了光激半导体量子结构中的THz动力学过程研究。
西安理工大学提出了用非线性光电导方法产生THz电磁辐射的方案。其突出的优点是:利用光激发电荷畴的猝灭模式形成GaAs光电导天线具有的非线性雪崩电导。利用非线性光电导效应,每个入射光子可以产生103—105个电子空穴对,这种载流子的雪崩倍增效应使得在飞秒激光触发下,大幅度增强偶极天线辐射THz波的功率。
国内还有很多大学及科研院所在从事太赫兹技术的研究，如北京师范大学在太赫兹方面的研究取得一定的成果，还有清华大学、东南大学、北京科技大学、
北京理工大学等大学都已开始加入到太赫兹的研究行列中，并取得了一定进展，
随着时间的推进，政策的倾向，太赫兹的研究定将取得更大的成果。
3 太赫兹技术典型应用
3.1 太赫兹技术在医疗系统的应用
生物分子整体结构与它们在THz波段光谱性质的高度相关性是THz—TDS 技术应用于生物体系研究的重要微观基础。生物分子对THz辐射的响应主要来自于由大分子的构型和构像决定的集体振动模，这种集体振动模反映分子的整体结构信息。THz—TDS技术可以给出分子的振动吸收谱，提供比传统光谱技术更为丰富的分子表征信息。此外，利用THz—TDS技术还可对蛋白质等易于变性大分子在特定生理过程或其他相互作用过程中发生的构像变化过程进行动态分
析。
牙科应用——龋齿是常见的一种口腔疾病，早期发现和治疗可以阻止龋齿恶化，还可恢复牙齿的形态及功能。但早期龋肯矿物质减少并不明显，通过临床段x射线摄片较难诊断“。。THz渡作为一种更敏感的成像方法呵以发现早期龋齿。
它不仅能准确测试出牙损坏的位置和程度。还可区升牙质和牙釉质，获得牙齿的立体图像。Crawley等“o利用THz射线对牙齿进行了体外研究，结果发现龋齿
对THz渡的吸收与正常牙齿差异对比卓为1：2．而x射线仅为2蹦。因此，THz 披填补了x射线和医生肉服(可见光)之间的重要空白，有望成为牙科x射线的替代物。
研究表明，THz渡有望成为术前评价皮肤癌边界、浸润深度的重要工具。Woodward等“”二使用TPI技术对基底细胞癌患者进行了俸内、外研究。结果
发现．通过THz波成像，癌组织、炎症组织及健康组织分别开来。THz仅能穿透皮肤F儿毫米的地方。迄今为止，THz射线在医学r的廊用还停留在袁皮附近的组织。但成人癌症的85“。包括皮肤病、乳腺癌、食管癌、结肠癌、膀胱癌、前列腺癌等．部是南上皮组织发生，因此研究人员认为使用TIk挫可能检测到这些癌症。
从右部的照片显示，基底细胞癌。临床照片太赫兹脉冲图像（TPI），这表明在肿瘤深度为100祄，突出红色，由于高的THz吸收相匹配。
太赫兹波技术还有望取代X射线应用到透射检查领域，也有希望应用于CT 检查，这样由于太赫兹的低能量性对人产生很小的危害，有效的保护了参检人员的身体健康安全。
图3.1 癌细胞太赫兹脉冲图像
匈牙利国立佩奇大学（theUniversityofPécs）的科学家们已成功的找到了一种能产生超短、高能太赫兹脉冲的方法。目前，他们十分自信的表示，他们完全
有可能将这些脉冲电场值提升到100，这势必会让太赫兹科技进一步发展，并参与更多、更新领域的应用，比如从癌症治疗到半导体研究。
采用离子光束用于治疗癌症的辐射治疗被称为粒子治疗，或者更准确的说应该是强子疗法。其工作原理就是通过高能强子光束，如质子或离子，对癌细胞进行照射，以达到消灭病灶的目的。为什么离子光束比X射线或Gamma射线在癌症治疗上更有优势？主要原因是因为它们不同的吸收特性。离子光束仅仅能被人体组织内部较深部分所吸收，除此以外，其它部分的组织均不受影响。而Gamma 射线则符合指数衰减规律，因此它对于表层的细胞作用更大，从而往往伤害肿瘤外层的健康组织。
应用高场能太赫兹脉冲技术来进行癌症治疗，目前佩奇大学的研究人员已经在这一领域申请了一些专利。希望今后的研究能进一步深入，让全世界的更多的癌症病患减轻痛苦，早日康复。
3.2 太赫兹技术在安全检查系统中的应用
现在大多数安检地方使用的都是红外线安检仪，而且不能应用于人体检查，
对于人体检查只能使用手持安检仪或徒手安检，这样效率很低而且准确又不是很高。随着自由电子激光器和超快技术的发展，为太赫兹脉冲的产生提供了稳定可
靠的激发光源，太赫兹成像技术主要在两个方面开展研究，逐点扫描大赫兹成像技术和远红外焦平面阵列的太赫兹成像技术，目前已取得了一些进展，最佳效果已达到对几十米远的人物进行了太赫兹成像拍摄，现在正研究加大太赫兹射线功率，期望对数百米外的人物进行太赫兹成像，以满足军方和反恐的要求。
据报道，中国电科技38所研发的太赫兹安检技术已取得关键性进展，首台
样机即将于年内面世。太赫兹安检技术将主要应用于机场、海关、地铁、文化遗
产等重要建筑物以及大型活动现场的安全检查，可以快速准确地检测出是否有人携带武器、毒品、爆炸物等违禁品，有效保障大众的生命财产安全。下图是一名
"恐怖分子"身体藏枪通过太赫兹安检仪安检效果如图 3.2所示。
太赫兹安检仪对人体的伤害是X设计的几千分之一，所以几乎对人体不造
成伤害，美国运输安全管理局计划3年内全国普及太赫兹安检仪，欧洲则已经逐步展开全面禁止用X射线扫描人体的计划，大量部署太赫兹安检仪。在国内机场，我们暂时还无法看到太赫兹安检仪，不过在接受《第一财经周刊》采访时，
首都师范大学太赫兹实验室的相关负责人透露，目前原型机已经制造完毕，预计
2013年会有第一批商用产品投入市场。
图3.2 太赫兹安检效果图
3.3 太赫兹在通讯领域的应用
THz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，它集成了微波通信与光通信的优点，同时相比较2种现有通信手段，THz波表现出了一些特有的优良性质。
相比较于微波通信而言：
1)THz通信传输的容量大，THz波的频段在108～1013 Hz之间，比微波通信高出l～4个数量级，可提供高达10 Gb／s的无线传输速率，比当前的超宽带技术快几百甚至上千倍；
2)2)THz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；
3)THz波具有更好的保密性及抗干扰能力；
4)由于THz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。
相比较于光通信而言：
1)THz光子能量低，只有10～eV，这大概是光子能量的1／40，因此，相比于光通信而言，能量效率更高；
2)THz波具有很好的穿透沙尘烟雾的能力，因此可以在大风沙尘以及浓烟等恶劣环境下进行正常通信工作。当然，如图 3.3所示，THz波在通过大气时，水蒸气等导致的强吸收使得其效率较低，以及在目前的THz源中相对低的发射功率会
给太赫兹通信带来明显的不利。但是，随着高功率THz光源、高灵敏度的探测技术及高稳定性的系统日益突破，占有很多独特优势的太赫兹通信必将指日可
待。
图3.3太赫兹波普范围大气衰减图
据估计太赫兹带宽会让移动电话快1000倍，忘掉3G和4G吧！事实上，一块忘记吉赫兹频率吧---匹兹堡大学的研究者说他们已经成功地设计了一种千倍
速度传输数据的方法。
这个由匹兹堡大学Kenneth P.Dietrich艺术与科学学院的物理化学教授Hrvoje Petek领导的小组，成功地研发了一种他们称之为“频率梳”的器件，并宣称“它通过在半导体硅晶体中激励相关原子团而可以产生超过100太赫兹（THz）的带宽”。
频率梳是通过“单色光射入空间均匀的光谱线”而产生的。
这意味着Petek和他的同事研制了一种理论上可以在太赫兹频率范围内将数
据传输到诸如手机和电脑等装置中去的结构---而且在实验过程中还发现发射光
在15.6THz频率处反射光的振荡。这项研究已出版于3月4号的自然光学期刊上，并总结成文于匹兹堡大学的网站上。
Petek说他们的团队发现了“太赫兹带宽的物理基础”，可能被用于平衡“红外线和微波之间的电磁波谱”，以比今天传统的带宽限制在吉赫兹内的无线电子技
术快了几个数量级的速度来传输信号。
“与今天的技术相比，用这种带宽来调制光波的能力能够数千倍的增加信息
的携带量”，Petek说道：“不用说，这是本领域中翘首企盼的一项重大发现”。
科学家们使用硅进行研究，硅是用来制造计算机处理技术核心半导体的材
料。Petek说他的团队预期在实验中达到15.6THz的频率，这是“硅晶格下最高的
原子机械频率”。
匹兹堡大学的研究者们实际上还有更高的追求，更确切地说，是更快的追求。通过研究电子的相干振荡，Petek和他的同事们相信他们能够在千兆频率范围内
利用“轻物质互作用”，或者比他们已经得到的太赫兹振荡快1000倍的速度。这将对移动通信和网络传输领域带来一场跨时空的革命。
3.4其他应用
THz雷达：实际上也是成像的一种。鉴于大气中水分对THz射线的强吸收作用，所以近距离雷达是THz射线的优势所在。一个非常让人向往的应用是穿
墙雷达和探雷雷达，当然也可以用于抗震救灾中遇难者的搜救，目前还处于研发阶段。这是由于墙壁，木材等材料对THz透过，而人体包含大量水分，不透过THz，因此可以透过墙壁侦查到屋内的人员的分布和活动，将反恐怖反绑架起到
深远的影响，同理也可以用于废墟下人体的寻找。而探雷雷达是由于地雷一般在地表或地表附近，而干燥的泥土可以透过THz射线，而地雷将会把THz射线反射回来，从而可以发现目标。
天文学：在宇宙中，大量的物质在发出THz电磁波。炭、水、一氧化碳、氮、氧等大量的分子可以在THz频段进行探测。而这些物质在应用THz技术以前一部分根本无法探测而另一部分只能在海拔很高或者月球表面才可以探测到。
4结语
THz科学技术是重要的发展极其迅速的交叉学科前沿，世界各国都给予极大的重视。由于THz处于电磁波谱的特殊位置，它具有极重要的学术价值和独特
的性质，从而使它具有非常重要的多方面的应用。THz科学技术发展至今不到30年，很多关键技术问题，如THz辐射源及THz检测技术等尚不够成熟。但是THz辐射的应用已在大力开展，并取得很多重要的成果。相关的THz成像和波谱技术也已经并正在快速的发展。随着THz科学技术及其应用的迅速发展，很多大学和研究机构的研究成果孵化出一批高科技产业正在推动新一代IT产业的兴起。
仪器技术前沿
——太赫兹技术发展展望
专业：仪器仪表工程
班级：硕1104
姓名：陈兆辉
太赫兹技术及其应用概述 来源：互联网 太赫兹技术（T-RAY）是指利用太赫兹波的技术,所谓的太赫兹科学，就是研究电滋波中的某一段，但这段电滋波能“看透”许多东西。100多年前，在红外天文学上人们曾提到太赫兹，但在科研和民用方面很少有人触及。在微波、可见光、红外等技术被广泛应用的情况下，太赫兹发展滞后的主要原因在于缺少探测器和发射源，直到近10几年，随着科研手段的提高，人们在这一领域的研究才有了较大发展。目前人类对太赫兹的研究已发展成为一个新的领域，研究太赫兹的单位也从20年前的3个发展到全世界的200多个。 太赫兹波指的是频率在0.1THz~10.0THz范围的电磁波。它具有很多优异的性质，被美国评为“改变未来世界的十大技术”之一。太赫兹波谱学、太赫兹成像和太赫兹通信是当前研究的三大方向。在安全检查、无损探测、天体物理、生物、医学、大气物理、环境生态以及军事科学等诸多科学领域有着重要的应用。具有极高截止频率的肖特基二极管能够在室温下实现太赫兹波的混频、探测和倍频，是太赫兹核心技术之一；此外，在低损耗的衬底上实现太赫兹电路是太赫兹技术得以实现的基础。 太赫兹波是频率范围在0.1T至10THz(波长在3mm至30um)的电磁频谱，它介于毫米波与远红外光之间，是至今人类尚未充分认知和利用的频谱资源，有望对通信(宽带通信)、雷达、电子对抗、电磁武器、安全检查等领域带来深刻变革。 太赫兹的独特性能给通信(宽带通信)、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像(无标记的基因检查、细胞水平的成像)、无损检测、安全检查(生化物的检查)等领域带来了深远的影响。由于太赫兹的频率很高，所以其空间分辨率也很高;又由于它的脉冲很短(皮秒量级)所以具有很高的时间分辨率。太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术由此构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。同时，由于太赫兹能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以与X射线相比更具有优势。另外，由于生物大分子的振动和转动频率的共振频率均在太赫兹波段，因此太赫兹在粮食选种，优良菌种的选择等农业和食品加工行业有着良好的应用前景。太赫兹的应用仍然在不断的开发研究当中，其广袤的科学前景为世界所公认。 经过近十几年来的研究，国际科技界公认，THz科学技术是一个非常重要的交叉前沿领域。由于THz的频率很高（波长比微波小1000陪以上），所以其空间分辨率很高。又由于
太赫兹技术发展展望 1 太赫兹波简介 1.1 太赫兹波发现 按传统的分类形式，电磁波分成无线电波、红外线、可见光、紫外线、α射线、γ射线等。随着对电磁波的深入研究，人们发现在电磁波谱中还有一个很特 殊的位置，如图 1.1所示。 这就是太赫兹波即THz波（太赫兹波）或称为THz射线（太赫兹射线），是从上个世纪80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科学家们将统称为远 红外射线。太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长大概在0.03到3mm范围，介于微波与红外之间。实际上，早在一百年前，就有科学工作者 涉及过这一波段。在1896年和1897年，Rubens和Nichols就涉及到这一波段，红外光谱到达9um（0.009mm）和20um（0.02mm），之后又有到达50um的记载。之后的近百年时间，远红外技术取得了许多成果，并且已经产业化。但是涉及太赫兹波段的研究结果和数据非常少，主要是受到有效太赫兹产生源和灵敏探测器 的限制，因此这一波段也被称为THz间隙。随着80年代一系列新技术、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THz源成为一种准常规技术，THz技术得以迅速发展，并在实际范围内掀起一股THz研究热潮。 1.2 太赫兹波的特点 目前，国际上对太赫兹辐射已达成如下共识，即太赫兹是一种新的、有很多
独特优点的辐射源；太赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿领域，给技术创新、国民经济发展和国家安全提供了一个非常诱人的机遇。 （1）量子能量和黑体温度很低： Wave number Wavelength Frequency Energy Blackbody Temp. 1cm-110mm30GHz120μeV 1.5K 10cm-11mm300GHz 1.2meV15K 33cm-1300μm1THz 4.1meV48K 100cm-1100μm3THz12meV140K 200cm-150μm6THz25meV290K 670cm-115μm20THz83meV960K （2）许多生物大分子，如有机分子的振动和旋转频率都在THz波段，所以在THz波段表现出很强的吸收和谐振。 （3）THz辐射能以很小的衰减穿透物质如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等，因此可用其探测低浓度极化气体，适用于控制污染。THz辐射可无损穿透墙壁、布料，使得其能在某些特殊领域发挥作用。 （4）THz的时域频谱信噪比很高，这使得THz非常适用于成像应用 （5）带宽很宽（0.1—10T）Hz。 （6）很短的THz脉冲却有着非常宽的带宽和不同寻常的特点。 在我国未来的太空研究和探月计划中, THz波也可以提供包括星球表面特性和极区辐射特性的诸多重要信息。综上所述, THz科学不仅是科学技术发展中的重要基础问题,又是国家新一代信息产业、国家安全以及基础科学发展的重 大需求,对国民经济以及国防建设具有重大的意义。与此相适应,世界各国都对THz波的研究给予极大的关注,并部署了多个重大的国家级以及国际合作研究 计划,取得了一些突破性的成果,有些已具有实用价值。另一方面,国内在THz 研究的理论和实验方面也取得了一些重要成果,在国际上产生了一定的影响,为我国THz技术的研究和发展打下了扎实的基础。
太赫兹（Terahertz，缩写为THz）是频率单位, 1太赫兹等于1012赫兹。太赫兹波是指频率0.1～10太赫兹、介于毫米波和红外线之间的电磁波。太赫兹科学技术泛指直接研究和应用太赫兹波本身，以及利用太赫兹波研究开发的所有理论和应用，是一个非常重要、尚未开发的前沿领域。 太赫兹技术之所以具有特别的吸引力，是由于太赫兹辐射的如下特点：约50%的宇宙空间光子能量、大量星际分子的特征谱线在太赫兹范围内；大量有机分子转动和振动跃迁、半导体的子带和微带能量在太赫兹范围内；太赫兹辐射能穿透非金属和非极性材料，穿透烟雾和浮尘；太赫兹光子能量小，不会引起生物组织的光致电离。因此，太赫兹技术在物体成像、环境监测、医疗诊断、射线天文、宽带通信、雷达等领域具有重大的科学价值和广阔的应用前景。 在世界范围，太赫兹辐射物理及其应用研究方兴未艾。包括美国国防部、航空航天局在内，全世界已有100多个机构在从事相关研究，例如，日本政府把太赫兹技术确立为“国家支柱技术十大重点战略目标之首”予以支持。由于信息化武器装备的工作频段逐步从微波及可见光区域向太赫兹波段延伸，太赫兹科学技术在军事上的重要性不言而喻。谁优先掌握这一重要频段的相关技术，谁就有可能在军事上领先一个时代。我们应该抓住太赫兹科学技术刚刚起步的机遇，不失时机地加速开展太赫兹领域的理 太赫兹科学技术的军事应用 张振伟 牧凯军 张存林 论与应用研究，为我国的经济发展和国防建设做出贡献。 太赫兹波在军事上的优势 太赫兹波的频率介于微波与红外之间，因此太 赫兹系统兼顾电子学系统和光学系统的优势。作为 美国能源部的宣传页，从中可以一窥太赫兹技术的概貌。 电磁波谱图，注意太赫兹波段的位置。
射电天文及太赫兹技术的应用与发展 目录： 1. 射电天文学的介绍； 2. 太赫兹波段的特点； 3. 太赫兹科学技术与应用发展； 4. 高度灵敏探测技术和超导技术的发展； 5. SMA及ALMA计划，后端频谱处理技术，南极天文台太赫兹望远镜计划介绍。 摘要：射电天文学理论认为由于地球大气的阻拦，从天体来的无线电波只有波长约1毫米到30米左右的才能到达地面，绝大部分的射电天文研究都是在这个波段内进行的。射电天文学以无线电接收技术为观测手段，观测的对象遍及所有天体：从近处的太阳系天体到银河系中的各种对象，直到极其遥远的银河系以外的目标。在宇宙中，大量的物质在发出THz电磁波。炭（C）、水（H2O）、一氧化碳（CO）、氮 （N2）、氧（O2）等大量的分子可以在THz频段进行探测。而这些物质在应用THz 技术以前一部分根本无法探测而另一部分只能在海拔很高或者月球表面才可以探测到。 关键词：射电天文太赫兹超导 正文： 一：射电天文： 对于研究射电天体来说，测到它的无线电波只是一个最基本的要求。人们还可以应用颇为简单的原理，制造出射电频谱仪和射电偏振计，用以测量天体的射电频谱和偏振。研究射电天体的进一步的要求是精测它的位置和描绘它的图像。一般说来，只有把射电天体的位置测准到几角秒，才能够较好地在光学照片上认出它所对应的天体，从而深入了解它的性质。为此，就必须把射电望远镜造得很大，比如说，大到好几公里。这必然会带来机械制造上很大的困难。因此，人们曾认为射电天文在测位和成像上难以与光学天文相比。可是，五十年代以后，射电望远镜的发展，特别是射电干涉仪（由两面射电望远镜放在一定距离上组成的系统）的发展，使测量射电天体位置的精度稳步提高。五十年代到六十年代前期，在英国剑桥，利用许多具射电干涉仪构成了“综合孔径”，系统，并且用这种系统首次有效地描绘了天体的精细射电图像。接着，荷兰、美国、澳大利亚等国也相继发展了这种设备。到七十年代后期，工作在短厘米波段的综合孔径系统所取得的天体射电图像细节精度已达2″，可与地面上的光学望远镜拍摄的照片媲美。射电干涉仪的应用还导致了六十年代末甚长基线干涉仪的发明。这种干涉仪的两面射电望远镜之间，距离长达几千公里，乃至上万公里。用它测量射电天体的位置，已能达到千分之几角秒的精度。七十年代中，在美国完成了多具甚长基线干涉仪的组合观测，不断取得重要的结果。
太赫兹技术及其在研究领域的应用 摘要：简要介绍了太赫兹技术的国内外发展状况，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。通过对太赫兹基础研究领域的分析，阐明了太赫兹波的作用机理及相关器件的发展。太赫兹技术在成像、通讯、航空及生物医药等领域有着广阔的应用前景。随着技术理论的不断发展及成熟，太赫兹技术必将对国民经济和国家安全产生重大影响。 关键词：太赫兹；太赫兹技术；基础研究；太赫兹应用 Terahertz technology and its applications in research field Abstract：The development of Terahertz technology at home and abroad is briefly summarized, and the special position of THz wave in electromagnetic spectrum, it shows the superior characteristic. So Terahertz Science and technology has become one of the most important scientific and technological problems in this century. Through the analysis of the THz basic research field, the mechanism of THz wave and the development of the related devices are elucidated. THz technology has broad application in imaging, communications, aviation and biomedical and other fields. With the development of technology theory, THz technology will have a great impact on national economy and national security. Key words：Terahertz; Terahertz technology; basic research; Terahertz application 0 引言 随着现代科学技术的迅猛发展、各国之间科技竞争的加剧及社会信息化进程的不断加快，高新技术越来越成为各个国家之间竞争力水平的标志。太赫兹技术由于其一系列的优点及其广泛的应用价值成为世界各国研究机构关注的焦点，太赫兹技术也成为本世纪重大新兴科学技术领域之一[1]。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，兼具二者的优点[2]（如图1所示）。它的长波段与毫米波(亚毫米波)相重合，其发主要依靠电子学科学技术；在短波段与红外线相重合，主要依靠光子学科技术发展，可见太赫兹波是宏观电子学向微观电子学过渡的频段，在电子波频谱中占有很特殊的位置，表现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性能。但长期以来由于缺乏有效的太赫兹辐射产生和检测方法，导致太赫兹频段的电磁波未得到充分的研究和应用，被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙(THz gap)”。从过去二十多年前开始，随着太赫兹辐射源和太赫兹探测器的相继问世，太赫兹技术的研究和应用才有了较快发展，在医疗诊断、雷达通讯、物体成像、宽带移动通信、军事航空等领域显示了重大的科学价值及实用前景，与此同时，其他方面的工程应用潜力也受到关注。
太赫兹技术各种应用 “Terahcrtz”一词是弗莱明（Fletning）于1974年首次提出的，用来描述迈克尔逊干涉仪的光谱线频率范围。太赫兹频段是指频率从十分之几到十几太赫兹，介于毫米波与红外光之间相当宽范围的电磁辐射区域，THz波又被称为T-射线，在频域上处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，在电子学向光子学的过渡区域，长期以来由于缺乏有效的THz辐射产生和检测方法，对于该波段的了解有限，使得THz成为电磁波谱中最后一个未被全面研究的频率窗口，被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙（THzGap）” THz波具有很多独特的性质，从频谱上看，THz辐射在电磁波谱中介于微波与红外辐射之间；在电子学领域，THz辐射被称为毫米波或亚毫米波；在光学领域，它又被称为远红外射线，从能量上看，THz波段的能量介于电子和光子之间。THz的特殊电磁波谱位置赋予它很多优越的特性，有非常重要的学术价值和应用价值，得到了全世界各国研究人员的极大关注，美国、欧洲和日本尤为重视。2004年美国技术评论（TechonlogyReview）评选“改变未来世界十大技术”时，将THz技术作为其中的紧迫技术之一。2005年日本政府公布了国家10大支柱技术发展战略规划，THz位列首位。 一、THz波的特性 THz波的频率范围处于电子学与光子学的交叉区域.在长波方向，它与毫米波有重叠；在短波方向，它与红外线有重叠；在频域上，THz处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区。由于其所处的特殊位置，THz波表现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性质： 1、THz脉冲的典型脉宽在亚皮秒量级，不但可以方便地对各种材料进行亚皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，而且通过取样测量技术 能够有效地抑制背景辐射噪音的干扰，得到具有很高信噪比（大于）THz电磁波时域谱，并且具有对黑体辐射或者热背景不敏感的优点； 2、THz脉冲通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从CHz至几十THz的范围，便于在大范围里分析物质的光谱性质； 3、THz波的相干性源于其产生机制，它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频效应产生。THz波的时域光谱技术（THz-TDS）直接测量THz波的时域电场，通过傅立叶变换给出THz波的振幅和相位。因此，无需使用Kramers-Kronig 色散关系，就可以提供介电常数的实部和虚部。这使测得的与THz波相互作用的介质折射率和吸收系数变得更精确； 4、THz波的光子能量较低，1THz频率处的光子能量大约只有4mV https://www.doczj.com/doc/7213072225.html, 光子能量，比X射线的光子能量弱107--108倍。因此，THz波不会对生物组织产生导致电离和破坏的有害光，特别适合于对生物组织进行活体检查； 5、THz光子能量约为可见光，用THz做信息载体比用可见光和近中红外光能量效率高得多；
太赫兹及其产生方法 摘要：太赫兹技术是20世纪80年代末产生的一种高新技术，近年来颇受关注。它在基础研究、生物科学等众多领域都有非常重要的应用前景。THz波具有很多的优越性，具有重要的研究价值。本文简要的介绍了THz波及其在公共安全、环境探测、生物医学、天文观测、军事及通信方面的应用，然后深入的阐述了THz波的产生方法。 关键词：THz波的应用THz波产生方法 1.引言 随着现代科学技术的发展、国际竞争的加剧以及社会信息化进程不断加快，各种各样的新技术、新思想大量涌现出来。从云计算到物联网，从激光到太赫兹技术的出现都给了我们很大的机遇，同时也存在一定的挑战。为在国际竞争中立于不败之地，我们国家在“十二五”战略新兴产业发展重点中提出了应大力发展信息产业、生物产业、航空航天产业、新能源产业、新材料产业、节能环保产业、新能源汽车产等新型产业，另外国家还确定了五项科技领域，而太赫兹技术在这些领域的探索及应用中起着举足轻重的作用。 2.太赫兹简介及其应用 2.1太赫兹简介 太赫兹通常是指频率在0.1~10THz的电磁波，是上个世纪八十年代中后期才被正式命名的，在此之前科学家们称其为远红外射线。实际上早在一百年前，就有科学工作者涉及过这一波段。随着80年代一系列新技术、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THz源成为一种准常规技术，THz技术得以迅速发展，并在实际范围内掀起一股THz研究热潮。2004年，美国政府将THz科技评为“改变未来世界的十大技术”之一，而日本于2005年1月8日更是将THz技术列为“国家支柱十大重点战略目标”之首，举全国之力进行研发。我国政府在2005年11月专门召开了“香山科技会议”，邀请国内多位在THz研究领域有影响的院士专门讨论我国THz事业的发展方向，并制定了我国THz技术的发展规划。另外，美国、欧洲、亚洲、澳大利亚等许多国家和地区政府、机构、企业、大学和研究机构纷纷投入到THz的研发热潮之中。 2.2 THz的应用 由于太赫兹的频率很高，所以其空间分辨率也很，又由于它的脉冲很短，所以具有很高的时间分辨率。由此，太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。太赫兹的独特性能给公共安全、环境探测、生物医学、天文观测、军事及通信等领域带来了深远的影响。
太赫兹技术及其应用研究 姓名：王结库 学号：0710940414 专业班级：电科074 指导老师：于莉媛
太赫兹技术及其应用研究 摘要：太赫兹技术是一个具有广泛应用前景的新兴学科，近10年来，太赫兹技术理论研究的蓬勃发展带动了太赫兹波应用研究的迅速扩大。作为一种新型的相干光源，太赫兹辐射在物理化学、信息和生物学等基础研究领域，以及材料、国防、医学等技术领域具有重大的科学价值和广泛的应用前景。文章简要介绍了太赫兹波的重要特性集、太赫兹技术的研究现状及应用前景，重点介绍了太赫兹技术的特性、及在国防领域的应用。 关键词：太赫兹；特性；太赫兹波成像；应用 1 引言 太赫兹(Terahertz，简称THz)辐射是对一个特定波段的电磁辐射的统称，通常它是指频率在0.1THz一10 THz(波长在3um～3 mm)之间的电磁波，在某些特定场合，指0.3 THz一3 THz之间的电磁波，还有一种更广泛的定义，其频率范围高达100THz．直到上世纪80年代中期以前，人们对这个频段的电磁波特性知之甚少，形成了远红外线和毫米波之间所谓的“太赫兹空隙”(Teraheaz Gap)，对太赫兹波段广泛的研究兴趣还是在20世纪80年代中期以超快光电子学为基础的脉冲太赫兹技术产生以后．近20年来，随着低尺度半导体技术、超快激光技术以及超快光电子技术的飞速发展，太赫兹技术表现出了极大的应用潜力．作为一种新型的相干光源，太赫兹辐射在物理、化学、信息和生物学等基础研究领域。以及材料、国防、医学等技术领域具有重大的科学价值和广泛的应用前景．本文将对太赫兹辐射的特性进行介绍，并在介绍太赫兹技术的常见应用基础上，着重对太赫兹技术在有关国防领域的潜在应用进行介绍． 2 特性 太赫兹波之所以引起科学界浓厚的研究兴趣，并不仅仅因为它是一类广泛存在而并不为人所熟悉的电磁辐射，更重要的原因是它具有很多独特的性质，正是这些性质赋予太赫兹波广泛的应用前景．从频谱上看，太赫兹辐射在电磁波谱中介于微波与红外辐射之间；在电子学领域。太赫兹辐射被称为毫米波或亚毫米波；在光学领域，它又被称为远红外射线；从能量上看，太赫兹波段的能量介于电子和光子之间． 2.1 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；在与物质互相作用时，太赫兹波还显示出粒子特性． 2.2 穿透性
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。
太赫兹技术的军事应用前景 太赫兹（THz）波是电磁波谱家族中的一员，它的频率范围为0.1—10THz，相应的波长范围为3mm—30μm，介于微波和红外线之间，是人类目前尚未完全开发的波谱“空隙”区。20世纪80年代中期以前，由于缺乏有效产生和检测太赫兹波的方法，人们对该频段电磁辐射性质的了解非常有限，因此其发展受到很大限制，应用潜能也未能得到充分发挥。近十几年，由于超快激光技术以及一系列的新技术、新材料的发展和应用，极大地促进了对太赫兹辐射机理、检测、成像和应用技术的研发，使其迅速成为一门新的极具活力的前沿领域。太赫兹波所具有的一些特性在军事领域中的应用正在逐步被开发出来。 一、太赫兹波的特点“透析” 太赫兹波频率范围是处于电子学和光子学的交叉区域，相对于其它波段的电磁波，如微波和x射线等，具有非常强的互补特征。 1.特别的穿透能力 THz辐射能以很小的衰减穿透如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等物质，还可无损穿透墙壁、沙尘烟雾，使得其能在某些特殊领域发挥作用。如太赫兹探测器可直接发射太赫兹波透过墙壁，于室外对室内进行探测，免去需将探测设施置于室内的麻烦。这特别适于防暴警察与室内歹徒对峙时，可从墙外掌握室内情况，如歹徒位置、武器配置等,极大的确保警方安全。 2.较高的探测安全性 由于太赫兹波的光子能量很低，只有几个毫电子伏特，当它穿透过物质时，不易发生电离，因而可用来进行安全的无损检测。太赫兹的光子能量很低，只有毫电子伏特，因此不容易破坏被检测物质。如果用太赫兹检测物质，就可以发现内部瑕疵而又不损害该物质。不同于X射线，太赫兹射线是一种不电离的射线，所以，太赫兹波适合于对生物组织进行活体检查。它们还可以穿透衣服、包装，甚至于渗透人体几毫米深，因此，太赫兹波也是安全检查和医学应用的理想工具。例如，用于人体成像的X光的光子能量高，对人体所造成非常大的伤害，而应用太赫兹技术制成的成像设备，则能将这种照射对人体的伤害降低100万倍。 3.较强的识别物质和成像能力 研究表明大量有机分子、半导体能量特征在太赫兹范围，每种材料的太赫兹频谱特征是不同的。只要建立了这些物质的太赫兹频谱特征数据库，就可以采取“指纹”识别的方法来进行检测。太赫兹波除了识别物质外，还可以通过反射波的测量得到物质的图像。利用成像系统把成像样品振幅或相位信息进行处理和分析，就可以得到样品的THz图像。太赫兹波成像的一个显著特点是信息量大，可准确显示物质的内外部信息。目前太赫兹显微成像的分辨率已达到几十微米。 4.大容量、高保密的宽带信息载体 太赫兹波的频带宽、测量信噪比高，适合于大容量与高保密的数据传输，而且太赫兹波处于高载波频率范围，是目前手机通信频率的1000倍左右，可提供10 GB/s的无线传输速
2017年第2期 空间电子技术 SPACE ELECTRONIC TECHNOLOGY1太赫兹技术空间应用进展分析与展望0 雷红文，王虎，杨旭，段崇棣 (中国空间技术研究院西安分院，西安710000) 摘要：太赫兹波处于l〇n~l〇13H z,介于微波和远红外之间，是极具研究和开发价值的新频率资源。近年来，随着空间栽荷技术的飞速发展，太赫兹频段的空间栽荷所表现出来的高分辨率性能和轻小型化特点更是让人叹服，由于国内外研究机构越来越重视太赫兹技术,太赫兹空间栽荷系统方面的开发和应用研究获得了极大的发展。文 中详细介绍了国内外对太赫兹技术的空间应用，并且指出了发展方向。 关键词：太赫兹技术;太赫兹遥感；太赫兹通信；太赫兹雷达;应用进展 中图分类号:V474 文献标识码:A 文章编号= 1674-7135(2017) 02-0001-07 D O I：10.3969/j.issn. 1674-7135.2017.02.001 Analysis and Progress of Terahertz Techniques Applied in Space Science LEI Hong-wen,WANG Hu,YANG Xu,DUAN Chong-di (China Academy of Space Technology( Xi ’ a n)，Xi ’ an 710000,China) Abstract ：Terahertz band shows a good research and application prospect because it is located between infrared and millimeter wave(10n ?1013Hz).With the development of space technology，the high resolution and miniaturization of the THz systems is amazed.The space systems of the THz technology are developed rapidly due to research institute the pay at-tention to it. The space applications and its development of Terahertz technology were presented in this paper. Key words：THz technology；THz remote sensing；THz communication；THz radar；Apply progress 〇引言 太赫兹波通常是指频率位于〇.1?10 T H z之间 的电磁波，该频段波长为3 mm~30 pm,是宏观电子 学向微观电子学过渡的波段。由于波长短，光子能 量低，该波段的器件研制对加工精度、半导体材料和 工艺有着苛刻的要求，直到加工工艺的提升和技术 的进步，太赫兹技术才迎来了逐步的发展。经过近 三十年的高速发展，该波段的理论机理研究日益完 善。各种太赫兹源和探测方式的涌现，扫除了太赫 兹技术研究的障碍，而各类系统和器件成熟化、商业 化，已把太赫兹技术推向市场应用。曾经的太赫兹 频谱“空白”，现已成为科学研究和科技创新的热点少J i] <<—-〇 与两侧较为熟知的毫米波与红外光相似，该波 段的系统应用具有其独特性，已获得了国内外大量 研究者的关注。如太赫兹频谱区域聚集了丰富的频 谱特征，这些谱特征与基本的物理过程如分子的转 动跃迁、有机化合物的大振幅振动、固体的晶格振 动、半导体的带内跃迁和超导体的能带带隙相关，这 使得太赫兹波在气象遥感、深空探测、天文探测和频 谱分析等方面应用广泛;太赫兹波频率高，可承载带 宽大，小口径天线具有高增益，可实现数十Gb p s传 输速率的轻小型化安全保密和抗干扰的通信系统终 端;而太赫兹波对大部分非金属材料和沙尘烟雾的 ①收稿日期:2016-11 -30;修回日期：2017-01 -11。 基金项目：国家自然科学基金（11505135; 61501367)。 作者简介:雷红文（1985—），博士,研究方向为空间微波、毫米波、太赫兹技术。
浅谈太赫兹科学与技术 人类对太赫兹(THz)辐射的认识可以追溯到20世纪初天体物理学家开始进行红外天文学的研究,远处天体上的简单分子如一氧化碳等的振动和转动特征光谱会在太赫兹波段上留下印迹。时至今日, 红外天文学仍是天体物理研究的一个热点领域。但是直到过去的二十年时间里, 伴随着更大功率的太赫兹辐射源和更加灵敏的探测装置的发展, 太赫兹研究才得以快速的发展。 太赫兹辐射可定义为0.1~10太赫波段的电磁波振荡。太赫兹波段在电磁波谱上处在红外辐射和微波之间, 比太赫兹频率更高的红外波段以及更低的微波波段分别属于已经发展得非常成熟的光学和电子学的研究范畴。相比较而言, 材料在太赫兹波段的性质则尚未被深入研究人们对太赫兹波段的认识首先得益于过去二十年中超快光电子学的发展。从1980年代利用飞秒激光脉冲在半导体表面实现太赫兹脉冲的发射和探测开始, 物理学家在发展和使用太赫兹技术方面已经取得了很多研究成果。例如, 发明太赫兹量子级联激光器, 利用太赫兹技术检测飞摩尔含量的无标记DNA单碱基对的差异, 研究多粒子电荷体系与太赫兹光谱相互作用, 利用太赫兹技术对航天飞机隔热材料的无损探伤和近场的太赫兹显微技术等。太赫兹技术正从实验室走向实际应用 太赫兹辐射光源及探测技术 制约太赫兹科学发展的主要因素是缺乏高功率并可在室温下稳定工作的太赫兹辐射源。当今高速电子学和激光科学的发展提供了一系列已有的和有潜力的太赫兹光源。这些太赫兹光源可以被分为非相于的热辐射源、宽波段太赫兹脉冲和窄波段的连续波太赫兹辐射。 热辐射太赫兹源 自然界中存在着丰富的太赫兹辐射, 比如宇宙大爆炸背景辐射的一半能量集中在太赫兹波段, 室温物体热辐射的峰值频率则处于6太赫左右。实际应用中使用的非相干的太赫兹热辐射源利用太赫兹波段的黑体辐射作为太赫兹光源。这一光源通常与红外傅里叶变换光谱仪(FTIR)配合使用,FTIR是化学研究中最常见的用来研究分子共振的手段之一, 其优越性是具有很宽的光谱波段, 可以用来研究材料从太赫兹到近红外波段的光谱性质在FTIR的实验中, 宽波段的辐射源通常由电弧灯或加热的SIC棒担任, 样品被置于一个光学干涉仪系统中, 通过改变干涉仪的一个臂的行程, 并利用一个直接的强度测量装置, 如液氦冷却的热辐射测量仪(bololleter)来测量于涉信号。FTIR系统的缺点是其有限的光谱分辨率和在低频(小于3太赫)较低的灵敏度。
太赫兹（THz）技术及其在深空探测中的应用 余小游，李仁发，余方，谌晓明，李斌 （湖南大学计算机与通信学院，湖南长沙 410006） 摘要：随着微纳器件工艺的长足进步，太赫兹波的产生、探测与发射已经成为可能，消除电磁波谱中的太赫兹空隙指日可待。太赫兹技术在深空探测遥感成像、深空探测通信方面的应用前景十分广阔。本文在简要介绍太赫兹基本理论和技术（简称THz技术）的基础上，对其应用于深空探测的前景进行初步探讨。 1 引言 太赫兹波是指频率介于0.1-10THz之间的电磁波（波长为），是处于毫米波和红外波之间的相当宽范围的电磁辐射区域，涵盖了毫米波（0.03－0.3THz）高端（0.1－0.3THz）、亚毫米波（0.3－3THz）、远红外波（0.3－6TGHz）、中红外波（6－120THz）低端（6-10THz）的广泛波谱区域。太赫兹波虽然广泛存在于自然界，如人体热辐射、生物大分子的振动和转动频率、天体辐射到地球的电磁波中的大部分、约50%的宇宙空间光子能量、大量星际分子的特征谱线等都处于太赫兹频段，但长期以来，由于缺乏有效的太赫兹辐射产生和检测方法，导致太赫兹频段的电磁波未得到充分的研究和应用，这个现象被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙”。 太赫兹波段处于电子学和光子学的交叉区域，太赫兹波的理论研究也处在经典电磁场理论和量子跃迁理论的过渡区，其性质表现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性，从而可广泛应用于波谱分析、成像和通信等领域。太赫兹波又被称为T-射线，它在物理学、材料科学、医学和遥感成像、射电天文、宽带保密通信、深空探测测控通信方面具有重大的应用前景。 2 THz技术的研究现状 太赫兹空隙现象存在多后，随着60GHz以下电磁波频段的日益拥挤、以及应用的不断发展需要，太赫兹波段成为人们重点关注的对象，太赫兹科学和技术也成为倍受各国政府支持和重视的先进科学技术，欧、美、日、俄等国家和地区投入大量人力、物力和财力进行相应的基础性理论研究和技术应用开发。 美国：THz技术在美国得到了很大的重视和发展，2004年被列为改变未来世界的十大技术之一，在2006年被列为美国防重点科学，目前美国有多个政府机构和民间企业和机构正在积极研究此项技术，包括美国宇航局（NASA）、美国国防部（DARPA）、NSF、LLNL、LBNL、JPL、BNL、ALS、Bell、IBM等，目前已经研究出的标志性成果是0.225THz机栽雷达。 欧洲：欧洲主要有STARTIGER、IST、THz-Bridge、Teravision、NanoTera、WANTED 等机构，制定的研究主题有THz辐射成像（2004-2008），分子生物学研究（2004-2009），THz空间天文学（2005-2009），THz遥感（2005-2012），光子带隙材料（2004-2009），微机械探测器（2006-2015）年，标志性成果是研制出THz远距离检测系统（2006年重大项目）。 日本：日本政府在2005年1月也把太赫兹技术确立为今后十年内重点开发的“国家支柱技术十大重点战略目标”之首，并列入日本政府从2006年开始到2010年结束的第三期科学技术基本计划予以支持。除此之外，日本还与欧美合作，成立ALMA计划，建设全球最大的射电天文亚毫米波干涉阵，计划投资10亿美元，每年开展三方研讨会，该计划受到欧美日政府的高度重视。日本在研制太赫兹技术的标志性成功是2006年研制出1.5公里THz无线通信演示系统，完成世界上首例THz通信演示。 中国：中国科学院物理所建立了国内第一台THz光谱测量系统【2】，并对GaAs中载流子的超快弛豫过程以及GaAs／Au界面电场的快速变化过程进行了较深入的研究；由姚建铨院士带领的天 217
太赫兹技术及其应用研究 摘要：太赫兹技术是一个具有广泛应用前景的新兴学科，近10年来，太赫兹技术理论研究的蓬勃发展带动了太赫兹波应用研究的迅速扩大。作为一种新型的相干光源，太赫兹辐射在物理化学、信息和生物学等基础研究领域，以及材料、国防、医学等技术领域具有重大的科学价值和广泛的应用前景。文章简要介绍了太赫兹波的重要特性集、太赫兹技术的研究现状及应用前景，重点介绍了太赫兹技术的特性、及在国防领域的应用。 关键词：太赫兹；特性；太赫兹波成像；应用 1 引言 太赫兹(Terahertz，简称THz)辐射是对一个特定波段的电磁辐射的统称，通常它是指频率在0.1THz一10 THz(波长在3um～3 mm)之间的电磁波，在某些特定场合，指0.3 THz一3 THz 之间的电磁波，还有一种更广泛的定义，其频率范围高达100THz．直到上世纪80年代中期以前，人们对这个频段的电磁波特性知之甚少，形成了远红外线和毫米波之间所谓的“太赫兹空隙”(Teraheaz Gap)，对太赫兹波段广泛的研究兴趣还是在20世纪80年代中期以超快光电子学为基础的脉冲太赫兹技术产生以后．近20年来，随着低尺度半导体技术、超快激光技术以及超快光电子技术的飞速发展，太赫兹技术表现出了极大的应用潜力．作为一种新型的相干光源，太赫兹辐射在物理、化学、信息和生物学等基础研究领域。以及材料、国防、医学等技术领域具有重大的科学价值和广泛的应用前景．本文将对太赫兹辐射的特性进行介绍，并在介绍太赫兹技术的常见应用基础上，着重对太赫兹技术在有关国防领域的潜在应用进行介绍． 2 特性 太赫兹波之所以引起科学界浓厚的研究兴趣，并不仅仅因为它是一类广泛存在而并不为人所熟悉的电磁辐射，更重要的原因是它具有很多独特的性质，正是这些性质赋予太赫兹波广泛的应用前景．从频谱上看，太赫兹辐射在电磁波谱中介于微波与红外辐射之间；在电子学领域。太赫兹辐射被称为毫米波或亚毫米波；在光学领域，它又被称为远红外射线；从能量上看，太赫兹波段的能量介于电子和光子之间． 2.1 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；在与物质互相作用时，太赫兹波还显示出粒子特性． 2.2 穿透性 太赫兹辐射对很多介电材料和非极性的液体具有良好的穿透性．因此，太赫兹波可以对很多不透明的物体进行透视成像．太赫兹的透视性使它作为x射线成像和超声波成像的补充，用于安全检查或者在质量控制中进行无损探伤．太赫兹波成像技术包括二维成像、飞行时间成像、复合孑L径成像、计算机辅助层析成像以及近场成像等． 2.3 安全性 太赫兹辐射的另一个显著特点就是它的安全性．相比于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．它的能量低于各种化学健的键能，因此它不会引起有害的电反应．这一点在针对旅客身体的安全检查和对生物样品的检查等应用中至关重要． 2.4 光谱分辨特性 尽管太赫兹辐射的光子能量相对较低，但这一波段仍然包含了丰富的光谱信息．许多有机分子在太赫兹频段具有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惟一特点．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．
太赫兹超导探测技术发展与展望讲座报告 2012年5月10日，我有幸地聆听到我校校友紫金山天文台研究员史生才教授发表的关于太赫兹超导探测技术发展与展望的讲座。 史生才教授是“毫米波与亚毫米波实验室”首席科学家，财政部“国外引进杰出人才计划”入选者和国家杰出青年科学基金获得者，曾获2001年江苏省科技进步一等奖（排名第一）；史生才研究员在毫米波和亚毫米波超导低噪声检测技术研究方面有很深的造诣，已取得许多高水平的成果：超导HEB混频技术研究（远红外领域最灵敏的探测技术）是我国的首例，也是国际上首例利用4-K闭环低温制冷系统成功观测到超导HEB混频器件的特性；而600-720GHz超导SIS混频器（毫米波亚毫米波领域最灵敏的探测技术）达到了五倍量子极限的噪声性能，与目前国际前沿研究水平相当，在国际上该领域也有相当的影响。史生才研究员是我国毫米波和亚毫米波天文技术领域学科带头人, 目前正在主持海峡两岸SMA亚毫米波阵合作项目和参与国际合作ALMA项目（本世纪前叶国际上最大规模的天文项目）的总体构想。 他渊博的演讲给我留下了深刻的影响。他开始时主要介绍了太赫兹探测技术的发展概况，简要阐述了太赫兹波的探测方法、主要特点，以及太赫兹超导探测技术在天文学中的应用，尤其在射电望远镜的革新方面，该探测技术起到了关键的作用。利用该项技术可以研究出更灵敏的，分辨率更高的天文望远镜，这种望远镜弥补了普通光学望远镜的诸多缺点。其后，史生才教授又根据自己的科研经历谈论了一下自己在天文学领域的研究以及成果，并综述了国内外在太赫兹波领域的研究进展，对未来的发展与应用进行了乐观的展望。 太赫兹（1 THz＝1012 Hz）技术是20 世纪80 年代末发展起来的一种高新技术，近年来颇受关注，它在基础研究、工业应用、生物医学、军事等领域有相当重要的应用前景，而且随着近代天文学的发展和要求，太赫兹技术在天文学的应用也变得不可或缺。太赫兹辐射在19 世纪已经为人们所认识，但是，由于没有稳定的辐射源和探测器，对于太赫兹谱段的物质特性一直是科学界的“真空地带”。美国贝尔实验室的奥斯顿等人在研究超快半导体现象时，发现了砷化镓光电导探测效应，1982 年有关结果在美国权威杂志《科学》上发表，引发了科学界的广泛关注，成为20 世纪末的热门课题。1 太赫兹（THz）辐射与主要特性THz 辐射（T 射线）通常指的是频率在0.1 THz～10 THz（波长在30 μm～3 mm）范围内的电磁波，其长波段方向与毫米波（亚毫米波）相重合，短波段方向与红外线相重合，属于远红外波段，由于THz 波所处的特殊电磁波谱的位置，它有很多优越的特性，从而具有重大科学意义。主要表现为以下几个方面：1）量子能量和黑体温度很低。由于太赫兹波的光子能量很低，它穿透物质时，不易发生电离，因而可用来进行安全的无损检测。 2）许多物质大分子，如生物大分子的振动和旋转频率都在THz 波段，所以在THz 波段表现出很强的吸收和谐振。许多爆炸物有“太赫兹指纹”特性，这使得它们能够从衣服中及与其它材料混在一起时被鉴别出来，如毒品的检测等。穿透能力强，THz 波能以很小的衰减穿透如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等物质。因此，可用其探测多种低浓度极化气体，适用于环境保护和军事化学侦察等特殊领域。 3）THz 波的时域频谱信噪比很高，这使得THz非常适用于成像应用。可见光、x 射线、电子束、中近红在工业生产等诸多领域广泛应用的主要成像信号源，与