太赫兹光学器件介绍和国产化历程

第20卷第7期2022年7月Vol.20，No.7Jul.，2022太赫兹科学与电子信息学报Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology毫米波及太赫兹准光学技术：理论、应用与发展刘小明1，俞俊生2，陈晓东2，3(1.安徽师范大学物理与电子信息学院，安徽芜湖241002；2.北京邮电大学电子工程学院，北京100876；3.英国伦敦玛丽女王大学电子工程与计算机学院，英国伦敦)摘要：针对毫米波及太赫兹技术在遥感、天文探测以及成像等领域的应用，讨论了准光技术的基本原理、关键器件、系统构成及其技术优势；探讨了准光技术国内外现状及未来的发展趋势。

准光技术是基于高斯波束在自由空间中传播而进行系统设计与分析的一种技术。

利用准光技术实现的毫米波及太赫兹系统具有高功率处理能力，具备多极化、低传输损耗以及紧凑性等优点。

准光技术在未来的各个领域将会有更加广阔的应用前景。

关键词：毫米波；太赫兹；准光技术；高斯波束；波束波导；射电天文；遥感；成像探测中图分类号：TN015文献标志码：A doi：10.11805/TKYDA2021299 Quasi-technology ranges optical in the millimeter and terahertz wave ranges::theorytheory,,applications and developmentLIU Xiaoming1，YU Junsheng2，CHEN Xiaodong2,3(1.School of Physics and Electronic Information，Anhui Normal University，Wuhu Anhui241002，China；2.School of Electronic Engineering，Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing100876，China；3.School of Electronic Engineering and Computer Science，Queen Mary University of London，London，E14NS，UK)AbstractAbstract：：This paper gives an overview to the fundamental principles,key components,system design and technical advantages of quasi-optical technology,particularly for its applications in themillimeter and terahertz systems in fields of remote sensing,radioastronomy,and imaging.A perspectiveto the state-of-the-art and future development of quasi-optical technology has been given.Quasi-opticaltechnology is a set of system design and analysis techniques based on Gaussian beam propagation in freespace.Systems based on quasi-optical technology bears advantages of high-power handling capability,multi-polarization,low transmission loss,and high compactness.In the future,quasi-optical technologywill be seeking more applications in these areas and further development can be highly envisaged.KeywordsKeywords：：millimeter wave；terahertz wave；quasi-optical technology；Gaussian beam；beam waveguide；radio astronomy；remote sensing；imaging and detection毫米波波段位于30~300GHz之间，太赫兹波的定义则为100GHz~10THz[1]，也有文献定义为300GHz~10THz[2]。

国内外太赫兹技术发展及应用太赫兹（THz）指的是电磁频谱上频率为0.1～10THz的辐射，波长范围为0.03～3mm，介于无线电波和光波之间。

太赫兹波具有穿透性强、使用安全性高、定向性好、带宽高等技术特性。

太赫兹是电磁波谱最后的处女地，具有独特的优越性及极重要的应用，是新一代产业的科学技术基础。

太赫兹科学综合了电子学与光子学的特色，是典型的交叉前沿科学领域，蕴含着原创性重大机理和方法并亟待突破，具有重大的科学意义。

太赫兹科学技术也将是后摩尔时代信息技术发展的重要支撑，因此世界各国都对太赫兹技术进行了广泛而深入的研究，并获得了一系列成果。

太赫兹技术的发展过程在美国国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，都在开展THz科学技术的研究工作。

美国国家基金会（NSF）、国家航空航天局（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。

如航天飞机表面隔热材料THz成像检测系统、THz 雷达、安检系统、环境监测设备等。

欧洲的一些国家相继建立THz 科学研究机构，已取得了较大进展。

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。

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、福井大学以及各公司都大力开展THz的研究与开发工作。

特别在THz 通信方面取得了重要进展，研发出120GHz 毫米波无线通信系统和300GHz～400GHz的无线通信系统。

目前的移动通信无线接入网络均是采取低于5 GHz频点的物理频段，并采取高阶调制方式（比如QAM）来提高无线频谱资源利用效率与有限带宽内的移动接入速率。

太赫兹光电技术的发展与应用1. 什么是太赫兹光电技术？太赫兹光电技术是指利用太赫兹波段的电磁波，进行电磁波与物质、生命体等相互作用的研究和应用的技术。

太赫兹波段是指频率在0.1~10 THz之间的电磁波，其波长介于微波和红外线之间，具有独特的性质，如穿透力强、分辨能力高等。

2. 太赫兹光电技术的发展历程20世纪90年代初，太赫兹辐射被人们发现并认识到其重要性。

当时，太赫兹光的发射和检测技术都比较困难，使得相关研究进展缓慢。

随着技术的不断进步，太赫兹光电技术得到飞速发展。

目前，太赫兹光电技术已经发展成为一个跨学科领域，涉及物理、化学、材料学、生物医学工程等多个领域。

3. 太赫兹光电技术的应用3.1 太赫兹图像技术太赫兹图像技术是指利用太赫兹辐射对物体进行成像的技术。

太赫兹波长相对较长，在通过不同物质时会发生不同的反射和透射现象，因此可以用来识别物质的种类和结构。

太赫兹图像技术广泛应用于包装检测、药品检验、化妆品质检等领域，并在安检、文物保护等方面发挥了重要作用。

3.2 太赫兹通信技术太赫兹通信是一种新兴的高速通信技术。

太赫兹波段的频率非常高，可以传输海量的数据。

同时，太赫兹波段的穿透力非常强，能够穿透混凝土、陶瓷等障碍物进行通信。

目前，太赫兹通信技术正在被广泛研究，并有望在未来取代5G，成为下一代通信技术。

3.3 太赫兹光谱学技术太赫兹光谱学技术是指利用太赫兹辐射对物质的成分和结构进行分析的技术。

太赫兹辐射的分辨率较高，能够准确检测物质的分子振动、晶体结构等信息，因此在化学、生物医学、环境监测等领域中得到广泛应用。

4. 太赫兹光电技术的发展前景目前，太赫兹光电技术正处于快速发展阶段，其应用领域不断拓展。

太赫兹通信技术和太赫兹图像技术已经开始商业化运用，可望成为未来的重要产业。

此外，太赫兹光谱学技术在食品安全检测、药品研发等方面有望发挥巨大作用。

太赫兹光电技术的发展前景非常广阔，将在未来为各个领域带来更多的机遇和挑战。

Definition 太赫兹辐射：波长处于亚毫米量级（波长3mm~30um，对应频率 0.1THz~10THz）的电磁辐射，由于太赫兹辐射所处波段的位置介于微波与红外之间，因此使其兼备了很多微波与红外波段的性质，例如水分子等极性物质对其吸收强烈、光谱信息丰富、对非极性物质透过率高、光子能量小等。

THz成像设备太赫兹成像设备：是一种能够发射、接收并处理太赫兹波的设备，它主要由一个太赫兹光源、一个光学系统和一个太赫兹检测器组成。

特性与应用等领域具有重要意义。

定义与应用THz 成像设备技术介绍1被动式成像通过太赫兹探测器对被测物体自身的辐射能量进行探测，利用不同物质辐射强度的差异来实现成像和辨别。

被动式成像是一种相对安全的成像方式，但是成像系统对信号本身的强度以及接收机的灵敏度要求较高。

根据成像机理，太赫兹成像分为被动式成像和主动式成像：2主动式成像通过太赫兹辐射源发射一定强度的太赫兹信号并照射到被测物体，利用太赫兹探测器接收被测物的反射波或者透射波，通过成像系统对探测器探测到的振幅和相位信息进行分析处理，得到被照射物体的图像。

主动式成像系统可以对包括塑料、生物组织等非金属材料进行检测，并且可以有效地进行三维成像。

于生物组织、纸张、塑料等材料具有较好的穿透性，因此太赫兹成像技术可以在不破坏样品的情况下进行成像。

•高分辨率：太赫兹波长短，频率高，因此太赫兹成像技术可以实现高分辨率的成像。

•安全性：太赫兹波是非电离辐射，对人体和环境没有危害，因此太赫兹成像技术是一种安全的成像技术。

•易于操作：太赫兹成像技术可以使用简单的光学元件和探测器进行操作，因此具有较低的成本和易于操作的优势。

•多功能性：太赫兹成像技术可以用于医疗、安全检测、文物保护等多个领域，具有广泛的应用前景。

原材料THz 信号源THz 检测器THz 天线光学元件金属材料陶瓷基板半导体晶片相关器件中游主要制造商下游主要应用领域THz 传输线控制电路上游原材料及相关器件安防安检THz 成像技术可以实现对人体和物品的成像检测，如行李箱、车辆、建筑等的安全检查，且不会对人体和物品产生辐射危害无损检测THz 成像技术可以通过探测和分析不同材料的电磁波特性，实现对材料的无损检测、成分分析和缺陷识别等。

太赫兹技术介绍太赫兹技术太赫兹（terahertz, 简称THz）波通常是指频率在0.1~10 THz （波长在0.03~3 mm）波段的电磁波，它的长波段与毫米波（亚毫米波）相重合，其发展主要依靠电子学科学技术，而它的短波段与红外线（远红外）相重合，其发展主要依靠光子学科学技术，所以太赫兹波是宏观电子学与微观光子学研究的交叉领域，对于电子学与光子学研究的相互借鉴和相互融合具有重要的科学意义和极大的研究价值。

太赫兹科学技术综合了电子学与光子学的特色，涉及物理学、化学、光学工程、材料科学、半导体科学技术、真空电子学、电磁场与微波技术、微波毫米波电子学等学科，是一个典型的交叉前沿科技领域。

太赫兹历史及国内外发展状况实际上, 早在一百多年前, 就有科学工作者涉及过该波段的研究，即在1896年和1897年，Rubens和Nichols对该波段进行先期的探索。

在之后的近百年间, 太赫兹科学与技术得到了初步的发展, 许多重要理论和初期的太赫兹器件相继问世。

而“ Terahertz”这个词语正式在文章中出现却是在1974年左右, Fleming用它来描述迈克尔逊干涉仪所覆盖的一段频段的谱线。

现代太赫兹科学与技术的真正发展则是在20世纪80年代中期, 随着一系列新技术、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太赫兹源成为一种常规技术,太赫兹技术也从此得以迅速发展。

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, 使得THz受到全世界各国政府的支持, 并给予极大的关注。

美国、欧州和日本尤为重视。

我国政府在2005年11月专门召开了“香山科学会议”, 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。

我国的THz学科研究受到政府和各研究机构的广泛重视。

国家科技部、国家自然科学基金委、863计划(民口和军口)及第270次香山科学会议等都将太赫兹科学技术列为研究主题。

太赫兹波技术的研究进展与应用太赫兹波是介于微波和红外线之间的电磁波，频率范围为0.1-10 THz，其波长为0.03-3毫米。

太赫兹波穿透力较强，能够穿透物质的表面几微米到几毫米的层次，同时对生物组织不具有显著的损伤效应，因此具有广泛的应用前景。

太赫兹波技术的研究自20世纪90年代以来得到了飞速发展，目前已经得到了广泛的研究和应用。

一、太赫兹波技术的研究进展1.太赫兹源技术太赫兹波的产生需要具有很高重复频率和较高的功率。

太赫兹源技术是制备太赫兹波材料、器件和探测器的核心技术。

当前太赫兹源技术主要包括激光光学法、电子加速器法、半导体发射法、量子阱法等。

2.太赫兹探测器技术太赫兹探测器技术是指测量太赫兹波的力量、功率、反射率、折射率等性质的技术。

太赫兹探测器的种类非常多，常用的有太赫兹探测器阵列、双晶探测器、热电探测器、介电探测器、红外探测器等。

3.太赫兹光学技术太赫兹光学技术主要是指太赫兹波与优异光学材料及器件的相互作用，该技术主要应用于太赫兹光学设备的设计、制造及相关光谱信息的提取。

二、太赫兹波技术的应用1.太赫兹成像技术太赫兹成像技术已成为最前沿的无损检测技术之一，可应用于航空、航天、国防、制造业等多个领域。

太赫兹成像技术可以探测物体内部的结构细节，并通过显微成像得到高分辨率的成像结果。

2.太赫兹波谱技术太赫兹波谱技术是通过分析试样对太赫兹的吸收、反射、透射等性质得到试样组成、物理状态和化学反应等信息的一种分析技术。

该技术应用于电子、生物、药物等领域的分析和诊断。

3.太赫兹通信技术太赫兹通信技术是一种新兴的宽频高速通信技术。

太赫兹通信具有信息传输速度快、波长短、能量损耗小、高带宽等优点，可以用于高速数据的传输，安全通信等多领域。

4.太赫兹波医疗技术太赫兹波的特点是可以穿透生物材料，而不破坏其分子结构。

太赫兹波医疗技术有望在肿瘤诊断、生物组织成像、疾病预防等方面发挥应用。

综上所述，太赫兹波技术在各个领域得到了广泛的应用，其研究进展也得到了飞速的发展。

太赫兹元件和系统发展历程-回复太赫兹元件和系统的发展历程太赫兹技术一直以来都是电子学领域中备受关注的一个研究方向。

太赫兹波段指的是位于红外光谱和微波光谱之间的光谱范围，频率大约在100 GHz到10 THz之间。

这个频段的特点在于其具有很高的穿透力和较强的辨识能力。

因此，利用太赫兹技术可以实现多种应用，比如无损检测、成像、通信等。

太赫兹元件和系统的发展历程可以概括为以下几个阶段。

第一阶段：太赫兹技术的起步期（1960年~1980年）太赫兹技术最初的起步可以追溯到上世纪60年代和70年代。

当时，人们开始研究太赫兹波段的基本特性和物理机制。

由于太赫兹波段的特殊性，传统的微波和红外技术在这个频段的应用是非常有限的。

因此，人们开始寻找新的材料和器件来实现太赫兹的发展。

这个时期的研究主要集中在金属、半导体和介质材料方面。

在材料方面，人们发现某些材料在太赫兹频段表现出了很好的性能。

其中一个重要的发现是绝缘体材料的介电常数在太赫兹频段有较大的变化，这为太赫兹波段的应用提供了良好的条件。

此外，人们还通过设计复杂的多层膜结构，来实现射频传输和控制。

第二阶段：太赫兹元件的研究和发展（1980年~2000年）进入上世纪80年代以后，太赫兹技术进入了一个快速发展的阶段。

在这个阶段，一些关键的太赫兹元件得以提出和实现。

其中最重要的是太赫兹二极管和太赫兹激光。

这两个元件的实现使得太赫兹技术的应用范围得到了进一步扩展。

太赫兹二极管是一种利用半导体材料特殊结构实现太赫兹探测的器件。

太赫兹二极管的出现使得太赫兹技术在无损探测和成像方面取得了重大突破。

此外，太赫兹激光的问世也为太赫兹通信和成像提供了新的解决方案。

太赫兹激光的实现主要依赖于光学腔和能带工程技术。

此外，在这个阶段，人们还研究了太赫兹波段的天线和滤波器等相关元件。

这些元件的研发为太赫兹系统的集成和应用提供了基础。

第三阶段：太赫兹系统的集成和应用（2000年至今）2000年以后，太赫兹技术进入了第三个重要的阶段。