太赫茲技術(shù)及其應(yīng)用詳解

太赫茲研究主要集中在0.1-10 THz 頻段。 這是一個覆蓋很廣泛并且很特殊的一個頻譜區(qū)域。起初， 這一頻段被稱為“THz Gap （太赫茲鴻溝）”，原因是這一頻段夾在兩個發(fā)展相對成熟的頻，即電子學(xué)頻譜和光學(xué)頻譜之間。 其低頻段與電子學(xué)領(lǐng)域的毫米波頻段有重疊， 高頻段與光學(xué)領(lǐng)域的遠(yuǎn)紅外頻段（波長0.03-1.0 mm） 有重疊。 由于這一領(lǐng)域的特殊性， 形成了早期研究的空白區(qū)。 但隨著研究的開展， 太赫茲頻譜與技術(shù)對物理、化學(xué)、生物、電子、射電天文等領(lǐng)域的重要性逐漸顯現(xiàn)， 其應(yīng)用也開始滲透到社會經(jīng)濟(jì)以及國家安全的很多方面， 如生物成像、THz 波譜快速檢測、高速通信、穿墻雷達(dá)等。 太赫茲之所以具有良好的應(yīng)用前景， 主要得益于其光譜分辨力、安全性、透視性、瞬態(tài)性和寬帶等特性。
例如： 自然界中許多生物大分子的振動和旋轉(zhuǎn)頻率都處在太赫茲頻段， 這對檢測生物信息提供了一種有效的手段; 太赫茲頻段光子能量較低， 不會對探測體造成損壞， 可以實(shí)現(xiàn)無損檢測; 太赫茲波對介質(zhì)材料有著良好的穿透能力， 從而可作為探測隱蔽物體的手段; 太赫茲脈沖的典型脈寬在皮秒量級， 可以得到高信噪比的太赫茲時(shí)域譜， 易于對各種材料進(jìn)行光譜分析; 此外， 太赫茲頻段的帶寬很寬， 從0.1-10 THz可為超高速通信提供豐富的頻譜資源。

相對于毫米波技術(shù)， 太赫茲技術(shù)的研究還處在探索階段。太赫茲技術(shù)主要包括太赫茲波源、太赫茲傳輸和太赫茲檢測等，其關(guān)鍵部件可以分為無源元件和有源器件。 無源元件包括太赫茲傳輸線、濾波器、耦合器、天線等， 而有源器件包括太赫茲混頻器、倍頻器、檢波器、放大器、振蕩器等。

1、太赫茲源

伴隨著太赫茲波生成技術(shù)的發(fā)展， 太赫茲源的研究已有很多有價(jià)值的新進(jìn)展。 研發(fā)低成本、高功率、室溫穩(wěn)定的太赫茲源是發(fā)展太赫茲技術(shù)的基礎(chǔ)。 太赫茲源的分類多種多樣， 按照產(chǎn)生機(jī)理， 可以分為基于光學(xué)效應(yīng)和基于電子學(xué)的太赫茲源。按照源類型可以分成3 類： 非相干熱輻射源、寬帶太赫茲輻射源以及窄帶太赫茲連續(xù)波源。

1.1 非相干熱輻射源

非相干熱輻射源在熱平衡的情況下將熱能轉(zhuǎn)換為光能， 產(chǎn)生連續(xù)的光譜。 主要例子如日常生活中的太陽， 以及白熾燈。 由于其產(chǎn)生的太赫茲波功率很低， 應(yīng)用前景較為局限。

1.2 寬帶太赫茲輻射源

寬帶太赫茲輻射源目前主要應(yīng)用于光譜系統(tǒng)， 主要由周期為幾十到幾百個飛秒的脈沖產(chǎn)生，在頻譜上包含高達(dá)幾十太赫茲的超寬頻譜分量。 產(chǎn)生方法包括：

a） 光導(dǎo)天線：光導(dǎo)天線進(jìn)行太赫茲輻射的主要機(jī)理是光導(dǎo)天線在光脈沖的照射下產(chǎn)生載流子， 并在電場作用下加速運(yùn)動， 在表面產(chǎn)生瞬態(tài)電流，進(jìn)而輻射太赫茲電磁波，其特點(diǎn)是具有較高的輸出能量。 近年來， 國內(nèi)外開展了很多關(guān)于光導(dǎo)天線產(chǎn)生寬帶太赫茲波的研究。

b） 光整流法： 光整流法是利用非線性的光整流效應(yīng)， 使兩個光束或者一個高強(qiáng)度的單色光束在介質(zhì)中傳播時(shí)產(chǎn)生差頻或和頻振蕩，其特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)太赫茲超寬帶輸出， 但是輸出能量相對不高。 基于此原理， 太赫茲輻射源得到了長足的發(fā)展。

c） 空氣等離子法： 空氣等離子法的原理是利用激光聚焦擊穿空氣產(chǎn)生太赫茲輻射。

d） 半導(dǎo)體表面： 基于半導(dǎo)體表面的太赫茲輻射源的基本工作原理可以總結(jié)成表面電場效應(yīng)和光生丹培效應(yīng)。 對于某些寬帶隙的半導(dǎo)體材料， 其表面存在表面態(tài)， 由于表面和內(nèi)部的費(fèi)米能級不一致， 會形成表面電場。 在這個電場作用下， 被激光激發(fā)的載流子會形成瞬態(tài)電流， 從而形成太赫茲輻射。 對于某些窄帶隙半導(dǎo)體材料， 由于其吸收系數(shù)很大， 大量的載流子會在半導(dǎo)體表面形成， 其中的電子和空穴在向半導(dǎo)體內(nèi)擴(kuò)散的時(shí)候使正負(fù)電荷在空間中分離， 形成光生丹培電場， 輻射太赫茲波。 這種方式的特點(diǎn)是簡單易操作， 但輻射功率較低。

1.3 窄帶太赫茲連續(xù)波源

窄帶太赫茲輻射源的目標(biāo)是產(chǎn)生連續(xù)的線寬很窄的太赫茲波。 常用的方法包括：

a） 利用電子學(xué)器件設(shè)計(jì)振蕩器， 尤其是以亞毫米波振蕩器為基礎(chǔ)， 提高振蕩器的工作頻率， 以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)適合太赫茲頻段的振蕩器。 由于這一特點(diǎn)， 目前報(bào)道的太赫茲源的工作頻率主要集中在較低的太赫茲頻段。但是， 在此基礎(chǔ)上利用倍頻鏈已獲得了1THz 左右甚至更高頻率的太赫茲波。

b） 太赫茲量子級聯(lián)激光器（THz-QCL） 作為相干光源的一種，是基于導(dǎo)帶子帶電子能態(tài)間躍遷和聲子共振輔助隧穿實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。 隨著量子級聯(lián)激光器的迅速發(fā)展， 可以用來研究微小尺度的物質(zhì)運(yùn)動， 比如電子微觀輸運(yùn)， 納米光子學(xué)等。 同時(shí)由于其結(jié)構(gòu)緊湊， 使之在很多領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價(jià)值， 如天體物理和大氣科學(xué)、空間通訊、精密光譜測量、安檢領(lǐng)域和太赫茲成像等。

c） 自由電子激光器是將在磁場中運(yùn)動的相對論電子束的動能轉(zhuǎn)換為光子能量， 從而產(chǎn)生激光， 其特點(diǎn)是具有高能量和高相干性。 由于其連續(xù)性，輻射波長可以調(diào)諧到任何波長， 非常適合用作太赫茲輻射源， 但自由電子激光器的缺點(diǎn)是功耗高、體積大和費(fèi)用昂貴， 因此自由電子激光器基本上用在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中。

d） 光泵太赫茲激光器： 太赫茲頻段符合許多極性分子的轉(zhuǎn)動能級， 光泵太赫茲激光器使這些極性分子的轉(zhuǎn)動能級間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生太赫茲輻射。 國內(nèi)外相關(guān)工作中， 常用的氣體有CH3F 、NH3、D2O 、CH3OH 等。

e） 差頻太赫茲輻射源： 差頻太赫茲輻射源主要利用非線性晶體的差頻效應(yīng)來產(chǎn)生相干窄帶的太赫茲輻射。 這種方法中， 需要兩束不同波長的激光， 即頻率不同， 以一定角度泵浦非線性晶體， 例如GaSe、ZnGeP2、GaAs、GaP、LiNbO3 以及有機(jī)晶體DAST 等。 太赫茲波的頻率取決于泵浦光波長， 可以方便進(jìn)行調(diào)諧。

f） 光參量法： 光參量法是利用一束泵浦光入射晶體， 激發(fā)出斯托克斯光和電磁耦子。 在泵浦光和斯托克斯光的共同作用下， 電磁耦子發(fā)生受激拉曼散射， 實(shí)現(xiàn)太赫茲輻射。

2、 太赫茲傳輸

由于太赫茲波在空氣中的損耗較大， 所以其傳輸結(jié)構(gòu)是一個不可或缺的部分。對不同傳輸結(jié)構(gòu)的損耗和色散特性的研究，逐漸成為了太赫茲領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。。各國科研人員都在努力尋找低損耗、低色散、高功率容量的太赫茲傳輸結(jié)構(gòu)，也就是尋找適合傳輸太赫茲波的材料和結(jié)構(gòu)。就研究方法而言， 主要是根據(jù)太赫茲頻段在波譜中夾在毫米波頻段和光學(xué)頻段之間這一特性，人們試圖將在這些頻段成熟的傳輸材料進(jìn)行改進(jìn)應(yīng)用到太赫茲頻段， 這些嘗試包括金屬圓波導(dǎo)、平行平面金屬波導(dǎo)、金屬線波導(dǎo)、帶有金屬涂層的介質(zhì)波導(dǎo)、全介質(zhì)波導(dǎo)、亞波長周期孔陣列、橢圓形空心光纖包層的微結(jié)構(gòu)光纖、雙線傳輸結(jié)構(gòu)、光子晶體等。 如上所述，太赫茲頻段的傳輸結(jié)構(gòu)有很多選擇， 需要針對不同的需求選擇合適的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)。 同時(shí)仍需要尋找更低損耗和色散的太赫茲傳輸線材料和結(jié)構(gòu)。

3、太赫茲檢測

類似于太赫茲源， 其檢測方式可以分為非相干檢測和相干檢測。

3.1 非相干檢測

非相干檢測， 即直接檢測， 是指利用檢波器將檢波信號直接轉(zhuǎn)化為電流或電壓信號， 得到被測信號的幅度信息。 這種檢測方式結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)范圍寬， 適合于對毫米波、遠(yuǎn)紅外線、可見光等頻段的檢測。 它的一個顯著優(yōu)點(diǎn)是可采用大規(guī)模檢波陣列進(jìn)行檢測。 然而， 由于其相位信息的缺失， 它難以實(shí)現(xiàn)超高分辨率。 用于直接檢測的檢波器一般分為非制冷型檢波器和制冷型檢波器。 非制冷型檢波一般工作于室溫環(huán)境， 具有中等的靈敏度和較長的響應(yīng)時(shí)間。制冷型檢波器由于其工作溫度很低， 可以獲得很高的靈敏度和較快的反應(yīng)時(shí)間。

3.2 相干檢測

不同于非相干檢測， 相干檢測通常采用類似于傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中的超外差結(jié)構(gòu)，先將太赫茲信號變換到較低的微波毫米波頻段，再采用傳統(tǒng)的方式提取信號的幅度和相位。 由于采用了變頻方式，相干檢測系統(tǒng)較為復(fù)雜，需要混頻器等關(guān)鍵元器件，同時(shí)對混頻器以及太赫茲本振源提出了較高的要求， 比如較高的輸出功率和較低的噪聲等。 值得一提的是， 由于可檢測到相位信息，可以獲得較高