太赫茲波，這個電磁波里最神秘的存在，被認(rèn)為未來將顛覆安檢、通信、生物醫(yī)學(xué)等諸多行業(yè)，受到政府、科研界和產(chǎn)業(yè)界的多方關(guān)注。

近日，河北省政府印發(fā)《關(guān)于加快推進(jìn)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級建設(shè)現(xiàn)代化工業(yè)體系的指導(dǎo)意見》，其中提到要面向未來，超前布局、研發(fā)、儲備一批引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革的顛覆性技術(shù)，積極培育發(fā)展量子通信、太赫茲、石墨烯、增材制造等未來產(chǎn)業(yè)。

那么現(xiàn)在太赫茲技術(shù)發(fā)展如何了？未來的技術(shù)走向和應(yīng)用場景是怎樣的？

太赫茲（Terahertz，簡稱THz，1 THz=1012 Hz）波是指頻率范圍在0.1-10 THz，相應(yīng)的波長在3 mm-30 μm，介于毫米波和紅外光學(xué)之間的電磁波譜區(qū)域。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對毫米波和紅外光的研究不斷深入，其器件和應(yīng)用技術(shù)日趨成熟，形成了毫米波和紅外光學(xué)兩大應(yīng)用和研究領(lǐng)域。

然而在毫米波和紅外光之間的太赫茲頻譜區(qū)域，由于缺乏高效的太赫茲輻射源、探測器及功能器件，豐富的太赫茲頻譜資源尚未被充分開發(fā)利用，成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界的研究熱點。

太赫茲技術(shù)的研究主要集中在太赫茲輻射、太赫茲探測、太赫茲通信和太赫茲成像等方面。其中，高效的太赫茲輻射源和探測技術(shù)是推動太赫茲技術(shù)走向應(yīng)用的關(guān)鍵。

太赫茲輻射技術(shù)

太赫茲輻射技術(shù)

在太赫茲諸多技術(shù)的研究中，太赫茲輻射源的研究占據(jù)了很重要的位置。太赫茲輻射的產(chǎn)生主要有3種途徑：

●基于電子學(xué)技術(shù)的太赫茲輻射源，包括返波管、耿氏振蕩器以及固態(tài)倍頻源等，這是毫米波技術(shù)向高頻方向的擴(kuò)展，這類太赫茲輻射源工作于1 THz以下，輸出功率通常在數(shù)十微瓦到毫瓦量級；

●基于光子學(xué)技術(shù)的太赫茲輻射源，包括量子級聯(lián)激光器、自由電子激光器和氣體激光器等，這是激光技術(shù)向低頻方向的延伸，這類太赫茲輻射源輸出功率較大，具有很好的應(yīng)用潛力?；谔掌澕す馄鞯墓忸l梳技術(shù)在高分辨成像和成譜應(yīng)用方面的前景廣闊；

●基于超快激光技術(shù)的太赫茲輻射源，這類技術(shù)是1 THz附近向高頻和低頻方向同時發(fā)展的太赫茲輻射源技術(shù)，這類太赫茲輻射源具有脈寬窄、峰值功率高等優(yōu)點，但是存在能量轉(zhuǎn)換效率和平均輸出功率低的問題。

因此，探索實現(xiàn)室溫、高輸出功率、連續(xù)可調(diào)諧和小型化的輻射源將大大促進(jìn)太赫茲技術(shù)的研究，也是當(dāng)前太赫茲領(lǐng)域的重要發(fā)展目標(biāo)。

太赫茲探測技術(shù)

太赫茲探測技術(shù)

太赫茲探測技術(shù)也是太赫茲技術(shù)研究的一個重要組成部分，它涉及到物理學(xué)、光電子學(xué)、材料科學(xué)和半導(dǎo)體技術(shù)等，是一門綜合性很強的技術(shù)。按照探測的原理可以分為太赫茲熱探測器和太赫茲光子型探測器兩大類。

●太赫茲熱探測器的工作原理為：探測材料吸收太赫茲輻射，引起材料溫度、電阻等參數(shù)的改變，再將其轉(zhuǎn)換為電信號。

常見的太赫茲熱探測器主要包括氘化硫酸三甘肽焦熱電探測器、微機械硅bolometer 探測器以及鉭酸鋰焦熱電探測器、超導(dǎo)隧道結(jié)和熱電子混頻器等。

●在太赫茲光子探測器中，電磁輻射被材料中的束縛電子或自由電子直接吸收，引起電子分布的變化，進(jìn)而給出電信號輸出。

常見的太赫茲光子探測器有太赫茲量子阱探測器、肖特基二極管和高遷移率晶體管等離子體波太赫茲探測器等。熱探測器的極限探測靈敏度與探測器工作溫度成正比，因此高靈敏太赫茲熱探測器需要低溫工作。

太赫茲光子探測器通常有高的損傷閾值和大的線性響應(yīng)范圍，探測靈敏度和響應(yīng)速度間不存在相互制約，可以同時具備高探測靈敏度和快速響應(yīng)能力。

超導(dǎo)HEB 混頻器的顯微放大圖

THz量子阱探測器工作原理示意圖：(a)器件結(jié)構(gòu)；(b)器件能帶結(jié)構(gòu)和工作原理

圖片來源：金飚兵等，物理 42，770 (2013).

太赫茲通信技術(shù)

太赫茲通信技術(shù)

太赫茲通信技術(shù)建立在傳統(tǒng)無線通信的基礎(chǔ)之上，由于太赫茲通信系統(tǒng)具有帶寬大、傳輸速率高、保密性好等特點，隨著現(xiàn)代社會對無線通信速率的要求不斷提高，利用太赫茲波作為載波進(jìn)行無線通信成為現(xiàn)代通信技術(shù)發(fā)展的必然。太赫茲通信的應(yīng)用場景包括短距離高速無線通信、空間通信和復(fù)雜軍事環(huán)境條件下的保密通信等。

目前太赫茲通信還處在關(guān)鍵器件的研究開發(fā)、太赫茲通信系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)方案的可行性論證以及實驗室的研究與仿真演示階段，亟需研制高性能的太赫茲固態(tài)器件，解決太赫茲信號的調(diào)制和信號處理技術(shù)，并制定相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

因此，太赫茲通信技術(shù)可以實現(xiàn)更高速率的信息傳輸，搶占帶寬資源，這不僅具有很高的經(jīng)濟(jì)價值，還具有非常高的戰(zhàn)略意義。

THz通信技術(shù)應(yīng)用構(gòu)想圖：太赫茲鏈路應(yīng)用于基站間和設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸

圖片來源：T.Nagatsuma, et al., Nature Photonics 10, 371 (2016).

太赫茲成像技術(shù)

太赫茲成像技術(shù)

由于太赫茲頻段光子能量較低，不會對被測物體造成損壞，并且對某些非極性材料具有良好的穿透能力，因此利用太赫茲波的穿透性和安全性等優(yōu)點進(jìn)行成像技術(shù)開發(fā)，可對被測物體進(jìn)行成像，從而實現(xiàn)無損檢測和安全檢查。

根據(jù)成像機理，太赫茲成像分為被動式成像和主動式成像：

●被動式成像是通過太赫茲探測器對被測物體自身的輻射能量進(jìn)行探測, 利用不同物質(zhì)輻射強度的差異來實現(xiàn)成像和辨別。被動式成像是一種相對安全的成像方式，但是成像系統(tǒng)對信號本身的強度以及接收機的靈敏度要求較高。

●太赫茲主動式成像主要是通過太赫茲輻射源發(fā)射一定強度的太赫茲信號并照射到被測物體，利用太赫茲探測器接收被測物的反射波或者透射波，通過成像系統(tǒng)對探測器探測到的振幅和相位信息進(jìn)行分析處理，得到被照射物體的圖像。主動式成像系統(tǒng)可以對包括塑料、生物組織等非金屬材料進(jìn)行檢測，并且可以有效地進(jìn)行三維成像。

利用太赫茲多彩成像裝置成功實現(xiàn)對隱藏的農(nóng)藥殘留物草酸銅、抗生素甲萘醌和維生素K的無損鑒別

圖片來源：Zhitao Zhou, et al., Advanced Science 1700982 (2018).

總結(jié)

總結(jié)

太赫茲波在電磁波譜中的特殊位置，使其具有重要的學(xué)術(shù)價值和應(yīng)用前景。目前，國內(nèi)外太赫茲研究單位在太赫茲輻射源、探測器以及太赫茲應(yīng)用技術(shù)方面都取得了一些重要的研究成果，為太赫茲技術(shù)的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)，尤其是太赫茲安檢和通信等技術(shù)應(yīng)用也正在逐步走向商用?？梢灶A(yù)見，隨著太赫茲技術(shù)的不斷成熟，太赫茲技術(shù)領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生出更多具有自主知識產(chǎn)權(quán)和自有核心技術(shù)的成果和產(chǎn)品，推動國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。