太赫茲技術及其應用詳解

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，即電子學頻譜和光學頻譜之間。 其低頻段與電子學領域的毫米波頻段有重疊， 高頻段與光學領域的遠紅外頻段（波長0.03-1.0 mm） 有重疊。 由于這一領域的特殊性， 形成了早期研究的空白區(qū)。 但隨著研究的開展， 太赫茲頻譜與技術對物理、化學、生物、電子、射電天文等領域的重要性逐漸顯現(xiàn)， 其應用也開始滲透到社會經濟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、穿墻雷達等。 太赫茲之所以具有良好的應用前景， 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， 可以實現(xiàn)無損檢測; 太赫茲波對介質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域譜， 易于對各種材料進行光譜分析; 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， 太赫茲技術的研究還處在探索階段。太赫茲技術主要包括太赫茲波源、太赫茲傳輸和太赫茲檢測等，其關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的發(fā)展， 太赫茲源的研究已有很多有價值的新進展。 研發(fā)低成本、高功率、室溫穩(wěn)定的太赫茲源是發(fā)展太赫茲技術的基礎。 太赫茲源的分類多種多樣， 按照產生機理， 可以分為基于光學效應和基于電子學的太赫茲源。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換為光能， 產生連續(xù)的光譜。 主要例子如日常生活中的太陽， 以及白熾燈。 由于其產生的太赫茲波功率很低， 應用前景較為局限。

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生，在頻譜上包含高達幾十太赫茲的超寬頻譜分量。 產生方法包括：

a） 光導天線：光導天線進行太赫茲輻射的主要機理是光導天線在光脈沖的照射下產生載流子， 并在電場作用下加速運動， 在表面產生瞬態(tài)電流，進而輻射太赫茲電磁波，其特點是具有較高的輸出能量。 近年來， 國內外開展了很多關于光導天線產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， 使兩個光束或者一個高強度的單色光束在介質中傳播時產生差頻或和頻振蕩，其特點是可以實現(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生太赫茲輻射。

d） 半導體表面： 基于半導體表面的太赫茲輻射源的基本工作原理可以總結成表面電場效應和光生丹培效應。 對于某些寬帶隙的半導體材料， 其表面存在表面態(tài)， 由于表面和內部的費米能級不一致， 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體材料， 由于其吸收系數很大， 大量的載流子會在半導體表面形成， 其中的電子和空穴在向半導體內擴散的時候使正負電荷在空間中分離， 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是產生連續(xù)的線寬很窄的太赫茲波。 常用的方法包括：

a） 利用電子學器件設計振蕩器， 尤其是以亞毫米波振蕩器為基礎， 提高振蕩器的工作頻率， 以設計實現(xiàn)適合太赫茲頻段的振蕩器。 由于這一特點， 目前報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，是基于導帶子帶電子能態(tài)間躍遷和聲子共振輔助隧穿實現(xiàn)粒子數反轉。 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運動， 比如電子微觀輸運， 納米光子學等。 同時由于其結構緊湊， 使之在很多領域具有很高的應用價值， 如天體物理和大氣科學、空間通訊、精密光譜測量、安檢領域和太赫茲成像等。

c） 自由電子激光器是將在磁場中運動的相對論電子束的動能轉換為光子能量， 從而產生激光， 其特點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是功耗高、體積大和費用昂貴， 因此自由電子激光器基本上用在實驗室環(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動能級， 光泵太赫茲激光器使這些極性分子的轉動能級間的粒子數反轉，從而產生太赫茲輻射。 國內外相關工作中， 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來產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 以及有機晶體DAST 等。 太赫茲波的頻率取決于泵浦光波長， 可以方便進行調諧。

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， 所以其傳輸結構是一個不可或缺的部分。對不同傳輸結構的損耗和色散特性的研究，逐漸成為了太赫茲領域的研究熱點。。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構，也就是尋找適合傳輸太赫茲波的材料和結構。就研究方法而言， 主要是根據太赫茲頻段在波譜中夾在毫米波頻段和光學頻段之間這一特性，人們試圖將在這些頻段成熟的傳輸材料進行改進應用到太赫茲頻段， 這些嘗試包括金屬圓波導、平行平面金屬波導、金屬線波導、帶有金屬涂層的介質波導、全介質波導、亞波長周期孔陣列、橢圓形空心光纖包層的微結構光纖、雙線傳輸結構、光子晶體等。 如上所述，太赫茲頻段的傳輸結構有很多選擇， 需要針對不同的需求選擇合適的導波結構。 同時仍需要尋找更低損耗和色散的太赫茲傳輸線材料和結構。

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。 這種檢測方式結構簡單、動態(tài)范圍寬， 適合于對毫米波、遠紅外線、可見光等頻段的檢測。 它的一個顯著優(yōu)點是可采用大規(guī)模檢波陣列進行檢測。 然而， 由于其相位信息的缺失， 它難以實現(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時間。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時間。

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)中的超外差結構，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)較為復雜，需要混頻器等關鍵元器件，同時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