3分钟了解太赫兹技术

len84

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太赫兹波，这个电磁波里最神秘的存在</a>，被认为未来将颠覆安检、通信、生物医学等诸多行业，受到政府、科研界和产业界的多方关注。

近日，河北省政府印发《关于加快推进工业转型升级建设现代化工业体系的指导意见》，其中提到要面向未来，超前布局、研发、储备一批引领产业变革的颠覆性技术，积极培育发展量子通信、太赫兹、石墨烯、增材制造等未来产业。

那么现在太赫兹技术发展如何了？未来的技术走向和应用场景是怎样的？

太赫兹（Terahertz，简称THz，1 THz=1012 Hz）波是指频率范围在0.1-10 THz，相应的波长在3 mm-30 μm，介于毫米波和红外光学之间的电磁波谱区域。随着现代科学技术的发展，人们对毫米波和红外光的研究不断深入，其器件和应用技术日趋成熟，形成了毫米波和红外光学两大应用和研究领域。

然而在毫米波和红外光之间的太赫兹频谱区域，由于缺乏高效的太赫兹辐射源、探测器及功能器件，丰富的太赫兹频谱资源尚未被充分开发利用，成为当前学术界的研究热点。

太赫兹技术的研究主要集中在太赫兹辐射、太赫兹探测、太赫兹通信太赫兹成像等方面。其中，高效的太赫兹辐射源和探测技术是推动太赫兹技术走向应用的关键。

太赫兹辐射技术

在太赫兹诸多技术的研究中，太赫兹辐射源的研究占据了很重要的位置。太赫兹辐射的产生主要有3种途径：

基于电子学技术的太赫兹辐射源，包括返波管、耿氏振荡器以及固态倍频源等，这是毫米波技术向高频方向的扩展，这类太赫兹辐射源工作于1 THz以下，输出功率通常在数十微瓦到毫瓦量级；

基于光子学技术的太赫兹辐射源，包括量子级联激光器、自由电子激光器和气体激光器等，这是激光技术向低频方向的延伸，这类太赫兹辐射源输出功率较大，具有很好的应用潜力。基于太赫兹激光器的光频梳技术在高分辨成像和成谱应用方面的前景广阔；
基于超快激光技术的太赫兹辐射源，这类技术是1 THz附近向高频和低频方向同时发展的太赫兹辐射源技术，这类太赫兹辐射源具有脉宽窄、峰值功率高等优点，但是存在能量转换效率和平均输出功率低的问题。

因此，探索实现室温、高输出功率、连续可调谐和小型化的辐射源将促进太赫兹技术的研究，也是当前太赫兹领域的重要发展目标。

太赫兹探测技术

太赫兹探测技术也是太赫兹技术研究的一个重要组成部分，它涉及到物理学、光电子学、材料科学和半导体技术等，是一门综合性很强的技术。按照探测的原理可以分为太赫兹热探测器和太赫兹光子型探测器两大类。

太赫兹热探测器的工作原理为：探测材料吸收太赫兹辐射，引起材料温度、电阻等参数的改变，再将其转换为电信号。

常见的太赫兹热探测器主要包括氘化硫酸三甘肽焦热电探测器、微机械硅bolometer 探测器以及钽酸锂焦热电探测器、超导隧道结和热电子混频器等。

在太赫兹光子探测器中，电磁辐射被材料中的束缚电子或自由电子直接吸收，引起电子分布的变化，进而给出电信号输出。

常见的太赫兹光子探测器有太赫兹量子阱探测器、肖特基二极管和高迁移率晶体管等离子体波太赫兹探测器等。热探测器的极限探测灵敏度与探测器工作温度成正比，因此高灵敏太赫兹热探测器需要低温工作。

太赫兹光子探测器通常有高的损伤阈值和大的线性响应范围，探测灵敏度和响应速度间不存在相互制约，可以同时具备高探测灵敏度和快速响应能力。

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超导HEB 混频器的显微放大图

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THz量子阱探测器工作原理示意图：(a)器件结构；(b)器件能带结构和工作原理
图片来源：金飚兵等，物理 42，770 (2013).


太赫兹通信技术

太赫兹通信技术建立在传统无线通信的基础之上，由于太赫兹通信系统具有带宽大、传输速率高、保密性好等特点，随着现代社会对无线通信速率的要求不断提高，利用太赫兹波作为载波进行无线通信成为现代通信技术发展的必然。太赫兹通信的应用场景包括短距离高速无线通信、空间通信和复杂军事环境条件下的保密通信等。

目前太赫兹通信还处在关键器件的研究开发、太赫兹通信系统整体结构方案的可行性论证以及实验室的研究与仿真演示阶段，亟需研制高性能的太赫兹固态器件，解决太赫兹信号的调制和信号处理技术，并制定相应的技术标准。

因此，太赫兹通信技术可以实现更高速率的信息传输，抢占带宽资源，这不仅具有很高的经济价值，还具有非常高的战略意义。
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THz通信技术应用构想图：太赫兹链路应用于基站间和设备间的数据传输
图片来源：T.Nagatsuma, et al., Nature Photonics 10, 371 (2016).

太赫兹成像技术

由于太赫兹频段光子能量较低，不会对被测物体造成损坏，并且对某些非极性材料具有良好的穿透能力，因此利用太赫兹波的穿透性和安全性等优点进行成像技术开发，可对被测物体进行成像，从而实现无损检测和安全检查。

根据成像机理，太赫兹成像分为被动式成像和主动式成像：

被动式成像是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。

太赫兹主动式成像主要是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。

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利用太赫兹多彩成像装置成功实现对隐藏的农药残留物草酸铜、抗生素甲萘醌和维生素K的无损鉴别
图片来源：Zhitao Zhou, et al., Advanced Science 1700982 (2018).


总结

太赫兹波在电磁波谱中的特殊位置，使其具有重要的学术价值和应用前景。目前，国内外太赫兹研究单位在太赫兹辐射源、探测器以及太赫兹应用技术方面都取得了一些重要的研究成果，为太赫兹技术的应用奠定了良好的基础，尤其是太赫兹安检和通信等技术应用也正在逐步走向商用。可以预见，随着太赫兹技术的不断成熟，太赫兹技术领域将产生出更多具有自主知识产权和自有核心技术的成果和产品，推动国民经济的发展。

参考文献略。
作者简介
王长，博士，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员，主要从事凝聚态物质的太赫兹光学性质、太赫兹波调制与通信技术研究。太赫兹波，这个电磁波里最神秘的存在，被认为未来将颠覆安检、通信、生物医学等诸多行业，受到政府、科研界和产业界的多方关注。