太赫兹技术及其在研究领域的应用
太赫兹技术及其在研究领域的应用
摘要：简要介绍了太赫兹技术的国内外发展状况，由于太赫兹波在电磁波谱中的特殊位置，其表现出优越的特性，太赫兹科学技术已成为本世纪最为重要的科技问题之一。通过对太赫兹基础研究领域的分析，阐明了太赫兹波的作用机理及相关器件的发展。太赫兹技术在成像、通讯、航空及生物医药等领域有着广阔的应用前景。随着技术理论的不断发展及成熟，太赫兹技术必将对国民经济和国家安全产生重大影响。
关键词：太赫兹；太赫兹技术；基础研究；太赫兹应用
Terahertz technology and its applications in research
field
Abstract：The development of Terahertz technology at home and abroad is briefly summarized, and the special position of THz wave in electromagnetic spectrum, it shows the superior characteristic. So Terahertz Science and technology has become one of the most important scientific and technological problems in this century. Through the analysis of the THz basic research field, the mechanism of THz wave and the development of the related devices are elucidated. THz technology has broad application in imaging, communications, aviation and biomedical and other fields. With the development of technology theory, THz technology will have a great impact on national economy and national security.
Key words：Terahertz; Terahertz technology; basic research; Terahertz application
0 引言
随着现代科学技术的迅猛发展、各国之间科技竞争的加剧及社会信息化进程的不断加快，高新技术越来越成为各个国家之间竞争力水平的标志。太赫兹技术由于其一系列的优点及其广泛的应用价值成为世界各国研究机构关注的焦点，太赫兹技术也成为本世纪重大新兴科学技术领域之一[1]。太赫兹波是指频率范围为0.1~10.0THz的电磁波，波长范围为0.03~3.00mm，介于微波频段与红外之间，兼具二者的优点[2]（如图1所示）。它的长波段与毫米波(亚毫米波)相重合，其发主要依靠电子学科学技术；在短波段与红外线相重合，主要依靠光子学科技术发展，可见太赫兹波是宏观电子学向微观电子学过渡的频段，在电子波频谱中占有很特殊的位置，表现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性能。但长期以来由于缺乏有效的太赫兹辐射产生和检测方法，导致太赫兹频段的电磁波未得到充分的研究和应用，被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙(THz gap)”。从过去二十多年前开始，随着太赫兹辐射源和太赫兹探测器的相继问世，太赫兹技术的研究和应用才有了较快发展，在医疗诊断、雷达通讯、物体成像、宽带移动通信、军事航空等领域显示了重大的科学价值及实用前景，与此同时，其他方面的工程应用潜力也受到关注。
图1 太赫兹波段在电磁波谱中位置示意图
1 太赫兹技术的国内外发展状况
自1896年和1897年，Rubens和Nichols开始对太赫兹波段进行先期探索，太赫兹技术已经有一百多年的历史，在这一百多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[3]。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。
根据太赫兹辐射的重大应用前景，从20世纪90年代中期开始美国国家基金会、航天局、国防部和国家卫生学会等政府或军事部门，对太赫兹科学研究项目持续提供了较大规模的资金支持，太赫兹技术被美国评为“改变未来世界的十大技术”之一。欧洲国家除了各国自己所支持的研究项目以外，还利用欧盟的资金共同组织了跨国界、多学科、大型的合作研究项目，如Teravision、THz-Bridge、STARTIGER等。日本政府近年来对太赫兹科研的投入经费每年都超过一千万美元，并于2005年1月8日将太赫兹科技列为“国家支柱技术十大重点战略目标”之首。目前，世界上约有130多家研究机构开展了相关的光电子材料、太赫兹激光器、太赫兹光谱学及相关生物医学成像等研究。
2005 年，科技部、中国科学院、国家自然科学基金委联合召开的以“太赫兹科学技术”为主题的科学会议，成为我国太赫兹研究工作的里程碑。至今，国内已有30 多家单位从事太赫兹科学技术研究工作，正逐渐在国际太赫兹科学技术的研究中占有一席之地。
2 太赫兹波的优越特性
由于太赫兹在电磁波谱中有着特殊的位置，因此，它有一系列的优越性，而这优越性使其具有很好的应用前景。其主要特性如下：
1) 波粒二相性：太赫兹辐射是电磁波，因此它具有电磁波的所有特性。太赫兹波具有干涉、衍射等波动特性，在与物质相互作用时，太赫兹波显示出了粒子特性。
2) 高透性：太赫兹对许多介电材料和非极性物质具有良好的穿透性，可对不透明物体进行透视成像，是X射线成像和超声波成像技术的有效互补，可用于安检或质检过程中的无损检测[4]。另外，太赫兹在浓烟、沙尘环境中传输损耗很少，是火灾救护、沙漠救援、战场寻敌等复杂环境中成像的理想光源。
3) 安全性：相对于X 射线有千电子伏的光子能量，太赫兹辐射的能量只有毫电子伏的数量级。它的能量低于各种化学键的键能，因此它不会引起有害的电离反应。这点对旅客身体的安全检查和对生物样品的检查等应用至关重要。另外，由于水对太赫兹波有非常强烈
的吸收性，太赫兹波不能穿透人体的皮肤。因此，即使强烈的太赫兹辐射，对人体的影响也只能停留在皮肤表层，而不是像微波可以穿透到人体的内部[5]。
4) 光谱分辨特性：许多有机分子，如生物大分子的振动和旋转频率都在太赫兹波段，所以在太赫兹波段表现出很强的吸收和色散特性。物质的太赫兹光谱(发射、反射和透射光谱)包含丰富的物理和化学信息，使得它们具有类似指纹一样的唯一特点。因此，太赫兹光谱成像技术不仅能够分辨物体的形貌，还能识别物体的组成成分。为缉毒、反恐、排爆等提供了可靠的相关理论依据和探测技术。
5) 很高的时间和空间相干性：太赫兹辐射是由相干电流驱动的偶极子振荡产生，或是由相干的激光脉冲通过非线性光学差额效应产生，因此具有很高的时间相干性和空间相干性。
3 太赫兹的基础研究
太赫兹相关的科学研究发展已二十多年了，在此期间太赫兹源、探测器和相关器件不断的被发明创造，但仍处于起步阶段，对其基础研究还有待深入。太赫兹的基础研究大致可分为太赫兹的产生、传输、探测及太赫兹辐射与物质的相互作用四个领域。
3.1 太赫兹的产生
太赫兹的产生除了传统的太赫兹非相干的热辐射源（高压汞弧灯和碳硅棒）外，还有基于光学方法的太赫兹源、基于电子学方法的太赫兹源，以及基于等离子体方法的太赫兹源。
基于光学方法的太赫兹源主要有基于半导体瞬态电流的太赫兹源、基于非线性效应的太赫兹源和太赫兹气体激光器。其中，瞬态电流太赫兹源包括光电导机制和半导体表面产生机制[6]；而基于非线性效应的太赫兹源包括光整流机制，光混频机制和参量源。
基于电子学方法的太赫兹源通常可产生窄带连续太赫兹波，是比较容易实用化的太赫兹源。基于该方法的太赫兹源也可大致分为三类：太赫兹真空微电子器件、太赫兹相对论性器件和太赫兹半导体激光器。太赫兹真空微电子器件大多是基于微波器件结合先进的微细加工技术（如LIGA技术，MEMS技术），利用微波管的分布作用原理产生太赫兹波的微型真空电子器件。太赫兹相对论性器件主要利用相对论，即电子的运动速度达到或接近光速，由电子的步辐射产生高功率的太赫兹辐射。太赫兹半导体激光器常见的有耿氏二极管、P-Ge激光器和量子级联激光器等。
基于等离子体方法的太赫兹源同样也可分为三类:空气中光丝产生太赫兹、激光尾场产生太赫兹和表面等离子产生太赫兹。空气中光丝产生太赫兹的技术可使太赫兹完全摆脱距离的限制，科学家推测可在几公里以外产生出太赫兹脉冲，同时也避免了太赫兹在空气中传输被水分吸收的问题。激光尾场产生太赫兹则可分为磁化均匀等离子体中切伦科夫辐射，非均匀等离子体中线性模式转换，跃迁辐射；另外，研究发现利用超短飞秒脉冲激励纳米量级的金属周期结构，可产生表面等离子体。同时，该结构可将飞秒激光和表面等离子体场聚焦，以发生很强的非线性效应。
3.2 太赫兹辐射传输
由于大气中的水汽、氧气、二氧化碳等对太赫兹辐射吸收较强，使得太赫兹在自由空间
中的传输十分困难。再者，太赫兹辐射不能被很好的控制、聚焦，太赫兹脉冲，以频率分量呈径向分布，造成聚焦度、孔径，甚至自由空间传输对太赫兹的波形及其光谱都具有很大的影响。太赫兹传输的重点和难点在于太赫兹辐射的导波传输问题及太赫兹波相关的导向传播和自由传播间的有效耦合问题[7]。
目前常见的太赫兹波传输有两种方法—波导传输技术和准光学技术。波导方法需要金属波导腔或介质光纤。在波长低于毫米级频率范围内，金属波导方法有很大的能量损失，大约与频率的平方成正比，而利用光纤则有色散和较高的吸收[8]。太赫兹波在波导中传输可应用于近场太赫兹波器件、太赫兹波互联、太赫兹波准光学腔和实现太赫兹波谱的超灵敏测量等。在用波导传输太赫兹脉冲时，必须选取群速度色散较小的波导。准光学技术是太赫兹传输的常用方法，它可将自由空间中传输的太赫兹波由发射端传输到接收端，或是将自由传输的太赫兹波有效的耦合到波导之中。
3.3 太赫兹波探测
太赫兹探测技术是太赫兹科学技术应用的延伸，太赫兹的探测方法归为两种：相干探测和非相干探测。但由于目前太赫兹辐射源的功率普遍偏低，因此发展高灵敏度、高信噪比的太赫兹探测技术十分重要。
常见的太赫兹脉冲的相干探测方法有光电导取样、电光取样、外差探测，以及近年来发展的空气等离子探测等。对于电导取样方法适用于低频太赫兹的探测，有很好的信噪比和灵敏度，但探测带宽窄。电光取样则是光整流的逆过程，是基于Pockels效应来得到太赫兹脉冲的相关信息。该方法适用于高频太赫兹的探测，具有探测带宽宽、高信噪比、高灵敏度、响应时间短等优点。
太赫兹非相干探测器一般都是基于光热效应和光子效应的探测器,能够直接测量太赫兹信号。光热探测器一般有测辐射热计、热释电探测器和高莱探测器，它们都是将吸收的太赫兹辐射的能量转换为探测元件的电学性质或物理性质，如温度、电阻率和自发极化强度等的变化。
3.4 太赫兹波与物质相互作用
不同的介质（如气体、液体和固体等）与太赫兹波相互作用具有不同的特性，介质对太赫兹波的吸收、相移和散射也不具相同。通过振幅和位相变化的测量，可以表征介质材料的电子、晶格振动和化学成分等性质，由此可以精确测量材料的吸收系数、折射率、介电常数、频移等相关特性，以及物质内部的超快过程。
通过研究，太赫兹波与导体或高自由载流子浓度的半导体的相互作用可以分析这些材料的介电常数、载流子浓度，以及它们在太赫兹波段的折射率等。另外，利用太赫兹波与部分物质相互作用还可以研究物质的能级结构，确定物质的能级共振结构,研究分子的转动能级或振动能级，晶体的声子振荡及晶体的声子结构等。
4 太赫兹技术的应用
太赫兹波兼具微波和红外的优异特性，同时包含了丰富的物理和化学信息，广泛应用于
医学、雷达通讯、军事、航空航天、天文观测等领域。太赫兹科学技术是电磁学、激光物理学、半导体物理学等多个学科的交叉技术，并且为这些学科的研究提供了新的研究方法和手段，在基础物理学中发挥着举足轻重的作用。
4.1 太赫兹波成像技术
太赫兹成像技术相对于可见光和X射线有非常强的互补特征，其穿透能力介于两者之间，又不会对人体或生物组织造成伤害。太赫兹波在材料研究、安检、生物和医学中的各种成像应用是目前开展得最广泛的研究。太赫兹波成像技术可以利用相位信息进行成像，许多干电介物质对太赫兹波段基本是透明的，但是折射率不同会引起太赫兹波相位的变化，从而实现对不同材料的鉴别。例如使用太赫兹波成像技术在车站、机场对行李或旅客进行安检就非常理想，它可以准确地检查刀具、枪支、炸药及非法药品毒品等[9,10]。对细胞水平的生物组织进行成像，主要是测量不同组织及其含水量对太赫兹波的吸收引起能量的变化，例如皮癌即[11]及其它组织表层病变的早期诊断等。通过太赫兹TDS技术还可以同时探测太赫兹波的相位和振幅变化信息，可以实现对材料光谱特性的研究，例如测定掺杂半导体载流子的富集度和迁移率和研究高温超导材料的特性等。
4.2 太赫兹雷达和通讯技术
太赫兹辐射具有比微波更短的波长及更高的时间精度，依此原理研制的太赫兹雷达可对目标进行敏感探测与监视，太赫兹雷达在国家安全和保护领域具有广阔的应用前景[12]。
THz频段的波长远小于通常的微波及毫米波频段的波长,适合于极大信号带宽和极窄天线波束的实现,有利于实现目标的高分辨率成像,且物体运动引起的多普勒效应更为显著,更利于检测目标的运动特征。这些特点使得THz雷达探测系统具有微小目标探测、极高分辨率的目标成像识别能力。虽然THz频段的大气衰减比较严重,但在太空环境下THz频段的衰减会大大降低,因此THz探测系统在太空环境更容易实现高分辨目标探测。
太赫兹通信是指用太赫兹波作为信息载体进行的空间通信。因为太赫兹波介于微波与远红外光之间，处于电子学向光子学的过渡领域，所以它集成了微波通信与光通信的优点。
相对于微波通信而言：l）太赫兹通信传输的容量更大。太赫兹波的频段在108~1013Hz 之间，可提供高达10GB/s的无线传输速率；2）太赫兹波具有更好的保密性及抗干扰能力；3）太赫兹波束更窄、方向性更好、可以探测更小的目标以及更精确地定位；4）由于太赫兹波波长相对更短，在完成同样功能的情况下，天线的尺寸可以做得更小，其他的系统结构也可以做得更加简单、经济。
相对于光通信而言；1）用光子能量约为可见光的1/40的THz波作为信息载体[13]，能量效率更高；2）THz波具有更好的穿透沙尘烟雾的能力，它可以实现全天候的工作。太赫兹波在通过大气时，由于水蒸气而导致的强吸收、低效率以及在目前可选的THz源中相对低发射功率会给太赫兹通信带来明显的不利影响，但是，随着高功率的太赫兹光源、高灵敏度的探测技术及高稳定性系统的日益突破，占有很多优势的太赫兹通信必将指日可待。
THz通信特别适合作卫星间、星地间及局域网的宽带移动通讯。将来利用太赫兹无线网
络下载一部DVD电影几乎是“弹指一挥间”，几秒钟即可完成。太赫兹与可见光和红外线相比，它同时具有极高的方向性及较强的云雾穿透能力，使得太赫兹通信可以以极高的带宽在战场中进行定向、高保密甚至明码军事通信。
4.3 太赫兹波在航天材料领域的应用
在材料鉴定方面，大多数分子均有相应的太赫兹波段的“指纹”特征谱，研究材料在这一波段的光谱对于物质结构的性质以及揭示新的物质有着重要的意义。太赫兹技术非常适合于用来分析分子，可以通过太赫兹波激发并探测“分子振动旋转状态”来进行光谱分析。它能有效地激发分子进入各种共振模式，使分子振动或转动。在这一过程中，分子吸收能量，在光谱仪中生成某段频率的吸收谱线，然后就可以据此判断出其中含有那些分子。因此，可以使用太赫兹分析他国卫星的组成、结构甚至材料。
由于太赫兹波有较强的穿透率，并且其光子能量低，只有几个毫电子伏特，穿透时不易发生电离，因而可用于安全的无损检测。尤其是对一些塑料泡沫等绝缘材料内部的缺陷和裂纹等进行无损检测和成像，在战略导弹及航空、航天结构材料的检测和评估方面具有重要的应用价值。如对航天飞机燃料舱的隔热材料进行有效的无损探伤，已被美国宇航局选择为发射中缺陷检测的技术之一[14]。有的公司用结构小巧的固体太赫兹波系统对航天器外部燃料箱的泡沫隔离层进行空洞（空气泡）和脱胶（两泡沫层间脱离或泡沫层和地板间脱离）检测。美国使用了一套基于光学技术的太赫兹波系统，充分证明了太赫兹波可以对航天器燃料舱的隔热材料进行有效的无损探伤。
4.4 太赫兹波在生物医学方面的应用
由于太赫兹波能量低，不会对生物体产生电离危害，能对患者进行无损检测和筛查。另一方面，太赫兹波对水相中物质水含量或者化学物质的微小变化极其敏感，不同样本水含量的差异有利于太赫兹医学诊断研究。太赫兹技术能够检测出经过脱水处理或者石蜡包埋处理的样本间的差异，这说明太赫兹波能够辨别不同病理组织的组织结构。Png等[15]使用太赫兹光谱鉴别正常和患病的脑组织样本。Stringer等[16]应用太赫兹光谱技术对人腿皮质骨进行了检测。研究有助于理解太赫兹波对生物组织的响应情况。
另外，太赫兹波空间分辨率高，太赫兹波能够穿透表皮，太赫兹时域成像技术使用样本的振幅和相位信息生成样本的3D图像。Joseph等[17]采用连续太赫兹成像技术对非黑色素皮肤癌进行了研究，Zhang等[18]利用太赫兹成像技术对皮下肿瘤和肝炎组织进行了研究。因此太赫兹成像作为一种安全、无损的医学成像技术对生物组织的检测和诊断具有重要的应用价值和发展潜力。
5 结论
太赫兹技术作为一项多学科的交叉技术，有其独特的优势，并具有广阔的应用前景，如前所述，太赫兹技术应用于生物医学、航天军事、雷达通讯等都展现出比现有技术的优越性。然而太赫兹技术的多项应用目前还只是处于实验室阶段，真正实现大规模的应用还没有开始，一些应用中遇到的问题还没有得到切实的解决。然而随着太赫兹科学技术的快速发展，太赫
兹科学技术的理论不断发展和成熟，伴随着各类太赫兹源、检测和传输器件的研发成功，太赫兹技术必将对国民经济和国家安全产生重大影响。
参考文献
[1]H. B. Liu, H. Zhong, N. Karpowicz et al. Terahertz spectroscopy and imaging for defense and security applications [J]. Proc. IEEE, 2007, 95(8):1514-1527.
[2]P. H. Siegel. Terahertz technology [J]. IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, 2002, 50(3):910-928.
[3]穆凯军,张振伟,张存林.太赫兹科学与技术[J]. 中国电子科学研究院学报，2009,4（3）：222-223.
[4]张存林, 等. 太赫兹感测与成像[M]. 北京:国防工业出版社, 2008.
[5]左琳琳. 太赫兹应用技术研究与进展[J]. 装备参考, 2004(35):5-6.
[6]K IYOM I SAKA I Terahertz Optoelectronics [M]. Berlin Springer, 2005.
[7]GALLOT G, JAM ISON S P, MCGOW AN R W, et al. Terahertz waveguides [J]. J Opt Soc Am. B, 2000, 17(5):851-863.
[8]李林玉, 陈华, 汪力, 等. 太赫兹波的产生、传播和探测[J]. 现代物理知识, 2006, 18(3):29-30.
[9]Clery D. Brainstorming their way to an imaging revolution [J]. Science. 2002, 297:761-763.
[10]Cook D J, Decker BK, Dadusc G, et al. Through container THz sensing: application for explosives screening [C]. Proc of SPIE.2004, 5354:55-62.
[11]Woodward R M, et al. IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 2001, 7:600.
[12]戚祖敏. 太赫兹波在军事领域中的应用研究[J]. 红外, 2008, 29(12):1-4.
[13]曹俊成. 太赫兹辐射与探测器研究进展[J]. 功能材料与器件学报, 2003, 9(2):111-117.
[14]陈刚, 周小阳, 蒋忠进. 国外太赫兹技术与军事应用研究现状[J]. 国外目标与环境特性管理与技术研究参考, 2010(1):3-4.
[15]Png G M, Flook R, Ng B W, et al. Electronics Letters, 2009, 45(7):343.
[16]Stringer M R, Lund D N, Foulds A P, et al. Physics in Medicine and Biology, 2005, 50(14):3211.
[17]Joseph C S, Yaroslavsky A N, Neel V A, et al. Lasers in Surgery and Medicine, 2011, 43(6)457.
[18]Zhang C H, Zhao G F, Jin B B, et al. Terahertz Science and Technology,2012,5(3):114.
太赫兹技术及其应用概述
太赫兹技术及其应用概述 来源：互联网 太赫兹技术（T-RAY）是指利用太赫兹波的技术,所谓的太赫兹科学，就是研究电滋波中的某一段，但这段电滋波能“看透”许多东西。100多年前，在红外天文学上人们曾提到太赫兹，但在科研和民用方面很少有人触及。在微波、可见光、红外等技术被广泛应用的情况下，太赫兹发展滞后的主要原因在于缺少探测器和发射源，直到近10几年，随着科研手段的提高，人们在这一领域的研究才有了较大发展。目前人类对太赫兹的研究已发展成为一个新的领域，研究太赫兹的单位也从20年前的3个发展到全世界的200多个。 太赫兹波指的是频率在0.1THz~10.0THz范围的电磁波。它具有很多优异的性质，被美国评为“改变未来世界的十大技术”之一。太赫兹波谱学、太赫兹成像和太赫兹通信是当前研究的三大方向。在安全检查、无损探测、天体物理、生物、医学、大气物理、环境生态以及军事科学等诸多科学领域有着重要的应用。具有极高截止频率的肖特基二极管能够在室温下实现太赫兹波的混频、探测和倍频，是太赫兹核心技术之一；此外，在低损耗的衬底上实现太赫兹电路是太赫兹技术得以实现的基础。 太赫兹波是频率范围在0.1T至10THz(波长在3mm至30um)的电磁频谱，它介于毫米波与远红外光之间，是至今人类尚未充分认知和利用的频谱资源，有望对通信(宽带通信)、雷达、电子对抗、电磁武器、安全检查等领域带来深刻变革。 太赫兹的独特性能给通信(宽带通信)、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像(无标记的基因检查、细胞水平的成像)、无损检测、安全检查(生化物的检查)等领域带来了深远的影响。由于太赫兹的频率很高，所以其空间分辨率也很高;又由于它的脉冲很短(皮秒量级)所以具有很高的时间分辨率。太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术由此构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。同时，由于太赫兹能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以与X射线相比更具有优势。另外，由于生物大分子的振动和转动频率的共振频率均在太赫兹波段，因此太赫兹在粮食选种，优良菌种的选择等农业和食品加工行业有着良好的应用前景。太赫兹的应用仍然在不断的开发研究当中，其广袤的科学前景为世界所公认。 经过近十几年来的研究，国际科技界公认，THz科学技术是一个非常重要的交叉前沿领域。由于THz的频率很高（波长比微波小1000陪以上），所以其空间分辨率很高。又由于
【2019年整理】太赫兹技术发展展望
太赫兹技术发展展望 1 太赫兹波简介 1.1 太赫兹波发现 按传统的分类形式，电磁波分成无线电波、红外线、可见光、紫外线、α射线、γ射线等。随着对电磁波的深入研究，人们发现在电磁波谱中还有一个很特 殊的位置，如图 1.1所示。 这就是太赫兹波即THz波（太赫兹波）或称为THz射线（太赫兹射线），是从上个世纪80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科学家们将统称为远 红外射线。太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长大概在0.03到3mm范围，介于微波与红外之间。实际上，早在一百年前，就有科学工作者 涉及过这一波段。在1896年和1897年，Rubens和Nichols就涉及到这一波段，红外光谱到达9um（0.009mm）和20um（0.02mm），之后又有到达50um的记载。之后的近百年时间，远红外技术取得了许多成果，并且已经产业化。但是涉及太赫兹波段的研究结果和数据非常少，主要是受到有效太赫兹产生源和灵敏探测器 的限制，因此这一波段也被称为THz间隙。随着80年代一系列新技术、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THz源成为一种准常规技术，THz技术得以迅速发展，并在实际范围内掀起一股THz研究热潮。 1.2 太赫兹波的特点 目前，国际上对太赫兹辐射已达成如下共识，即太赫兹是一种新的、有很多
独特优点的辐射源；太赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿领域，给技术创新、国民经济发展和国家安全提供了一个非常诱人的机遇。 （1）量子能量和黑体温度很低： Wave number Wavelength Frequency Energy Blackbody Temp. 1cm-110mm30GHz120μeV 1.5K 10cm-11mm300GHz 1.2meV15K 33cm-1300μm1THz 4.1meV48K 100cm-1100μm3THz12meV140K 200cm-150μm6THz25meV290K 670cm-115μm20THz83meV960K （2）许多生物大分子，如有机分子的振动和旋转频率都在THz波段，所以在THz波段表现出很强的吸收和谐振。 （3）THz辐射能以很小的衰减穿透物质如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等，因此可用其探测低浓度极化气体，适用于控制污染。THz辐射可无损穿透墙壁、布料，使得其能在某些特殊领域发挥作用。 （4）THz的时域频谱信噪比很高，这使得THz非常适用于成像应用 （5）带宽很宽（0.1—10T）Hz。 （6）很短的THz脉冲却有着非常宽的带宽和不同寻常的特点。 在我国未来的太空研究和探月计划中, THz波也可以提供包括星球表面特性和极区辐射特性的诸多重要信息。综上所述, THz科学不仅是科学技术发展中的重要基础问题,又是国家新一代信息产业、国家安全以及基础科学发展的重 大需求,对国民经济以及国防建设具有重大的意义。与此相适应,世界各国都对THz波的研究给予极大的关注,并部署了多个重大的国家级以及国际合作研究 计划,取得了一些突破性的成果,有些已具有实用价值。另一方面,国内在THz 研究的理论和实验方面也取得了一些重要成果,在国际上产生了一定的影响,为我国THz技术的研究和发展打下了扎实的基础。
太赫兹科学技术的军事应用
太赫兹（Terahertz，缩写为THz）是频率单位, 1太赫兹等于1012赫兹。太赫兹波是指频率0.1～10太赫兹、介于毫米波和红外线之间的电磁波。太赫兹科学技术泛指直接研究和应用太赫兹波本身，以及利用太赫兹波研究开发的所有理论和应用，是一个非常重要、尚未开发的前沿领域。 太赫兹技术之所以具有特别的吸引力，是由于太赫兹辐射的如下特点：约50%的宇宙空间光子能量、大量星际分子的特征谱线在太赫兹范围内；大量有机分子转动和振动跃迁、半导体的子带和微带能量在太赫兹范围内；太赫兹辐射能穿透非金属和非极性材料，穿透烟雾和浮尘；太赫兹光子能量小，不会引起生物组织的光致电离。因此，太赫兹技术在物体成像、环境监测、医疗诊断、射线天文、宽带通信、雷达等领域具有重大的科学价值和广阔的应用前景。 在世界范围，太赫兹辐射物理及其应用研究方兴未艾。包括美国国防部、航空航天局在内，全世界已有100多个机构在从事相关研究，例如，日本政府把太赫兹技术确立为“国家支柱技术十大重点战略目标之首”予以支持。由于信息化武器装备的工作频段逐步从微波及可见光区域向太赫兹波段延伸，太赫兹科学技术在军事上的重要性不言而喻。谁优先掌握这一重要频段的相关技术，谁就有可能在军事上领先一个时代。我们应该抓住太赫兹科学技术刚刚起步的机遇，不失时机地加速开展太赫兹领域的理 太赫兹科学技术的军事应用 张振伟 牧凯军 张存林 论与应用研究，为我国的经济发展和国防建设做出贡献。 太赫兹波在军事上的优势 太赫兹波的频率介于微波与红外之间，因此太 赫兹系统兼顾电子学系统和光学系统的优势。作为 美国能源部的宣传页，从中可以一窥太赫兹技术的概貌。 电磁波谱图，注意太赫兹波段的位置。
射电天文及太赫兹技术的应用与发展
射电天文及太赫兹技术的应用与发展 目录： 1. 射电天文学的介绍； 2. 太赫兹波段的特点； 3. 太赫兹科学技术与应用发展； 4. 高度灵敏探测技术和超导技术的发展； 5. SMA及ALMA计划，后端频谱处理技术，南极天文台太赫兹望远镜计划介绍。 摘要：射电天文学理论认为由于地球大气的阻拦，从天体来的无线电波只有波长约1毫米到30米左右的才能到达地面，绝大部分的射电天文研究都是在这个波段内进行的。射电天文学以无线电接收技术为观测手段，观测的对象遍及所有天体：从近处的太阳系天体到银河系中的各种对象，直到极其遥远的银河系以外的目标。在宇宙中，大量的物质在发出THz电磁波。炭（C）、水（H2O）、一氧化碳（CO）、氮 （N2）、氧（O2）等大量的分子可以在THz频段进行探测。而这些物质在应用THz 技术以前一部分根本无法探测而另一部分只能在海拔很高或者月球表面才可以探测到。 关键词：射电天文太赫兹超导 正文： 一：射电天文： 对于研究射电天体来说，测到它的无线电波只是一个最基本的要求。人们还可以应用颇为简单的原理，制造出射电频谱仪和射电偏振计，用以测量天体的射电频谱和偏振。研究射电天体的进一步的要求是精测它的位置和描绘它的图像。一般说来，只有把射电天体的位置测准到几角秒，才能够较好地在光学照片上认出它所对应的天体，从而深入了解它的性质。为此，就必须把射电望远镜造得很大，比如说，大到好几公里。这必然会带来机械制造上很大的困难。因此，人们曾认为射电天文在测位和成像上难以与光学天文相比。可是，五十年代以后，射电望远镜的发展，特别是射电干涉仪（由两面射电望远镜放在一定距离上组成的系统）的发展，使测量射电天体位置的精度稳步提高。五十年代到六十年代前期，在英国剑桥，利用许多具射电干涉仪构成了“综合孔径”，系统，并且用这种系统首次有效地描绘了天体的精细射电图像。接着，荷兰、美国、澳大利亚等国也相继发展了这种设备。到七十年代后期，工作在短厘米波段的综合孔径系统所取得的天体射电图像细节精度已达2″，可与地面上的光学望远镜拍摄的照片媲美。射电干涉仪的应用还导致了六十年代末甚长基线干涉仪的发明。这种干涉仪的两面射电望远镜之间，距离长达几千公里，乃至上万公里。用它测量射电天体的位置，已能达到千分之几角秒的精度。七十年代中，在美国完成了多具甚长基线干涉仪的组合观测，不断取得重要的结果。
不同频率的电磁波及太赫兹的简介
不同频率的电磁波及太赫兹的简介 一．电磁波介绍 不同频率的电磁波电与磁可以说是一体两面，变化的电场会产生磁场（即电流会产生磁场），变化的磁场则会产生电场。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场[1]，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，电磁的变动就如同微风轻拂水面产生水波一般，因此被称为电磁波，也常称为电波。电磁波能有效的传递能量和动量。电磁波是电磁场的一种运动形态。 从科学的角度来说，电磁波是能量的一种，凡是高于绝对零度的物体，都会释出电磁波。 当电磁波频率低时，主要藉由有形的导电体才能传递；当频率渐提高时，电磁波就会外溢到导体之外，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。举例来说，太阳与地球之间的距离非常遥远，但在户外时，我们仍然能感受到和煦阳光的光与热，这就好比是「电磁辐射即由辐射现象传递能量」的原理一样。 在高频电磁振荡的情况下，部分能量以辐射方式从空间传播出去所形成的电波与磁波的总称叫做“电磁波”。在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去。然而，在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能全部返回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去。 电磁波为横波。电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变，其强度与距离的平方成反比，波本身带动能量，任何位臵之能量功率与振幅的平方成正比。其速度等于光速（每秒3×1010厘米）。光波就是电磁波。在空间传播的电磁波，距离最近的电场（磁场）强度
方向相同和量值最大两点之间的距离，就是电磁波的波长。 无线电波3000米～0.3毫米。 红外线0.3毫米～0.75微米 可见光0.7微米～0.4微米。 紫外线0.4微米～10毫微米 X射线10毫微米～0.1毫微米 γ射线0.1毫微米～0.001毫微米 宇宙射线小于0.001毫微米 传真（电视）用的波长是3～6米；雷达用的波长更短，3米到几毫米。 电磁波在传播中携有能量，可以作为信息的载体。这就为无线电通信、广播、电视、遥感等技术开阔了道路。 电磁波的能量大小由坡印廷矢量决定，即S=E×H,其中s为坡印庭矢量，E 为电场强度，H为磁场强度。E、H、S彼此垂直构成右手螺旋关系；即由S代表单位时间流过与之垂直的单位面积的电磁能。 电磁波具有能量，电磁波是一种物质。 二．太赫兹简介 1．简介 太赫兹电磁脉冲或称为THz波（太赫兹波）或称为T射线（太赫兹射线）是从上个世纪80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科学家们将统称为远红外射线。太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长大概在0.03到3mm范围，这一波段的电磁辐射具有很强的透视能力，可以作为一种特殊的
太赫兹技术及其在研究领域的应用
太赫兹技术及其在研究领域的应用 摘要：简要介绍了太赫兹技术的国内外发展状况，由于太赫兹波在电磁波谱中的特殊位置，其表现出优越的特性，太赫兹科学技术已成为本世纪最为重要的科技问题之一。通过对太赫兹基础研究领域的分析，阐明了太赫兹波的作用机理及相关器件的发展。太赫兹技术在成像、通讯、航空及生物医药等领域有着广阔的应用前景。随着技术理论的不断发展及成熟，太赫兹技术必将对国民经济和国家安全产生重大影响。 关键词：太赫兹；太赫兹技术；基础研究；太赫兹应用 Terahertz technology and its applications in research field Abstract：The development of Terahertz technology at home and abroad is briefly summarized, and the special position of THz wave in electromagnetic spectrum, it shows the superior characteristic. So Terahertz Science and technology has become one of the most important scientific and technological problems in this century. Through the analysis of the THz basic research field, the mechanism of THz wave and the development of the related devices are elucidated. THz technology has broad application in imaging, communications, aviation and biomedical and other fields. With the development of technology theory, THz technology will have a great impact on national economy and national security. Key words：Terahertz; Terahertz technology; basic research; Terahertz application 0 引言 随着现代科学技术的迅猛发展、各国之间科技竞争的加剧及社会信息化进程的不断加快，高新技术越来越成为各个国家之间竞争力水平的标志。太赫兹技术由于其一系列的优点及其广泛的应用价值成为世界各国研究机构关注的焦点，太赫兹技术也成为本世纪重大新兴科学技术领域之一[1]。太赫兹波是指频率范围为0.1~10.0THz的电磁波，波长范围为0.03~3.00mm，介于微波频段与红外之间，兼具二者的优点[2]（如图1所示）。它的长波段与毫米波(亚毫米波)相重合，其发主要依靠电子学科学技术；在短波段与红外线相重合，主要依靠光子学科技术发展，可见太赫兹波是宏观电子学向微观电子学过渡的频段，在电子波频谱中占有很特殊的位置，表现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性能。但长期以来由于缺乏有效的太赫兹辐射产生和检测方法，导致太赫兹频段的电磁波未得到充分的研究和应用，被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙(THz gap)”。从过去二十多年前开始，随着太赫兹辐射源和太赫兹探测器的相继问世，太赫兹技术的研究和应用才有了较快发展，在医疗诊断、雷达通讯、物体成像、宽带移动通信、军事航空等领域显示了重大的科学价值及实用前景，与此同时，其他方面的工程应用潜力也受到关注。
太赫兹技术各种应用
太赫兹技术各种应用 “Terahcrtz”一词是弗莱明（Fletning）于1974年首次提出的，用来描述迈克尔逊干涉仪的光谱线频率范围。太赫兹频段是指频率从十分之几到十几太赫兹，介于毫米波与红外光之间相当宽范围的电磁辐射区域，THz波又被称为T-射线，在频域上处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，在电子学向光子学的过渡区域，长期以来由于缺乏有效的THz辐射产生和检测方法，对于该波段的了解有限，使得THz成为电磁波谱中最后一个未被全面研究的频率窗口，被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙（THzGap）” THz波具有很多独特的性质，从频谱上看，THz辐射在电磁波谱中介于微波与红外辐射之间；在电子学领域，THz辐射被称为毫米波或亚毫米波；在光学领域，它又被称为远红外射线，从能量上看，THz波段的能量介于电子和光子之间。THz的特殊电磁波谱位置赋予它很多优越的特性，有非常重要的学术价值和应用价值，得到了全世界各国研究人员的极大关注，美国、欧洲和日本尤为重视。2004年美国技术评论（TechonlogyReview）评选“改变未来世界十大技术”时，将THz技术作为其中的紧迫技术之一。2005年日本政府公布了国家10大支柱技术发展战略规划，THz位列首位。 一、THz波的特性 THz波的频率范围处于电子学与光子学的交叉区域.在长波方向，它与毫米波有重叠；在短波方向，它与红外线有重叠；在频域上，THz处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区。由于其所处的特殊位置，THz波表现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性质： 1、THz脉冲的典型脉宽在亚皮秒量级，不但可以方便地对各种材料进行亚皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，而且通过取样测量技术 能够有效地抑制背景辐射噪音的干扰，得到具有很高信噪比（大于）THz电磁波时域谱，并且具有对黑体辐射或者热背景不敏感的优点； 2、THz脉冲通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从CHz至几十THz的范围，便于在大范围里分析物质的光谱性质； 3、THz波的相干性源于其产生机制，它是由相干电流驱动的偶极子振荡产生，或是由相干的激光脉冲通过非线性光学差频效应产生。THz波的时域光谱技术（THz-TDS）直接测量THz波的时域电场，通过傅立叶变换给出THz波的振幅和相位。因此，无需使用Kramers-Kronig 色散关系，就可以提供介电常数的实部和虚部。这使测得的与THz波相互作用的介质折射率和吸收系数变得更精确； 4、THz波的光子能量较低，1THz频率处的光子能量大约只有4mV https://www.wendangku.net/doc/7e7117274.html, 光子能量，比X射线的光子能量弱107--108倍。因此，THz波不会对生物组织产生导致电离和破坏的有害光，特别适合于对生物组织进行活体检查； 5、THz光子能量约为可见光，用THz做信息载体比用可见光和近中红外光能量效率高得多；
太赫兹波的特点
太赫兹波的特点 ?（1）高透射性：太赫兹对许多介电材料和非极性物质具有良好的穿透性，可对不透明物体进行透视成像，是X 射线成像和超声波成像技术的有效互补，可用于安检或质检过程中的无损检测。 （2）低能量性：太赫兹光子能量为4.1meV（毫电子伏特），只是X 射线光子能量的108 分之一。太赫兹辐射不会导致光致电离而破坏被检物质，非常适用于针对人体或其他生物样品的活体检查。进而能方便地提取样品的折射率和吸收系数等信息。 （3）吸水性：水对太赫兹辐射有极强的吸收性，因为肿瘤组织中水分含量与正常组织明显不同，所以可通过分析组织中的水分含量来确定肿瘤的位置。 （4）瞬态性：太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒数量级，可以方便地对各种材料包括液体、气体、半导体、高温超导体、铁磁体等进行时间分辨光谱的研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰。 （5）相干性：太赫兹的相干性源于其相干产生机制。太赫兹相干测量技术能够直接测量电场的振幅和相位，从而方便地提取样品的折射率、吸收系数、消光系数、介电常数等光学参数。 （6）指纹光谱：太赫兹波段包含了丰富的物理和化学信息。大多数极性分子和生物大分子的振动和转能级跃迁都处在太赫兹波段，所以根据这些指纹谱，太赫兹光谱成像技术能够分辨物体的形貌，分析物体的物理化学性质，为缉毒、反恐、排爆等提供相关的理论依据和探测技术。 太赫兹波的产生 ?（1）通过FTIR（Fourier Transform Infrared Spectrometer）使用热辐射源产生，如汞灯和SiC棒； （2）是通过非线性光混频产生； （3）是通过电子振荡辐射产生，如反波管、耿式振荡器及肖特基二极管产生； （4）是通过气体激光器、半导体激光器、自由电子激光器等THz激光器直接产生。目前产生THz脉冲常用的方法有光导天线法、光整流法、THz参量振荡器法、空气等离子体法等，其中空气等离子体能产生相对较高强度的THz波而备受关注，此外，还可以用半导体表面产生THz波。 太赫兹波的研究现状 ?太赫兹波现象其实早已为人们所发现，然而早期因缺乏有效的太赫兹波产生和探测技术，使得相关研究进展极其缓慢[2]。进入20世纪80年代后，激光技术的迅速发展为研究有效太赫兹波的产生和探测技术孕育了基础。据文献报道，1983年 D.H.Anston[3]首次利用光学技术，通过超短激光脉冲激发光电导天线产生了相干脉 冲宽带THz辐射。鉴于D.H.Auston做出的巨大贡献，光导天线后来常被称为“Auston switeh”。紧接着，D.Grischkowsky和D.H.Auston等又开发出了基于超短激光脉冲激发光电导天线的THz时域光谱探测技术。这种基于基于超短激光脉冲激发光电导天线的太赫兹波产生和探测技术至今仍然是实验设备应用的主流。1990-1992年，X.C.zhang和D.H.Auston[4]等又提出了原理上完全不同的太赫兹波产生与探测方法一基于瞬态电光取样及其逆过程的THz产生与探测技术。 至此，太赫兹波的产生与探测技术虽然还不成熟，但已经能够用于相关仪器的制造与生产，为科研人员研究太赫兹波与物质相互作用提供了必备的实验手段。太赫兹科学和技术有极大的应用潜力，但目前还受太赫兹辐射源的限制，比如：产生的太赫兹辐射强度不高、带宽不够宽、能量转化效率低等因素，所以太赫兹领域的发展还需更大的努力。
太赫兹应用及其产生方法
太赫兹及其产生方法 摘要：太赫兹技术是20世纪80年代末产生的一种高新技术，近年来颇受关注。它在基础研究、生物科学等众多领域都有非常重要的应用前景。THz波具有很多的优越性，具有重要的研究价值。本文简要的介绍了THz波及其在公共安全、环境探测、生物医学、天文观测、军事及通信方面的应用，然后深入的阐述了THz波的产生方法。 关键词：THz波的应用THz波产生方法 1.引言 随着现代科学技术的发展、国际竞争的加剧以及社会信息化进程不断加快，各种各样的新技术、新思想大量涌现出来。从云计算到物联网，从激光到太赫兹技术的出现都给了我们很大的机遇，同时也存在一定的挑战。为在国际竞争中立于不败之地，我们国家在“十二五”战略新兴产业发展重点中提出了应大力发展信息产业、生物产业、航空航天产业、新能源产业、新材料产业、节能环保产业、新能源汽车产等新型产业，另外国家还确定了五项科技领域，而太赫兹技术在这些领域的探索及应用中起着举足轻重的作用。 2.太赫兹简介及其应用 2.1太赫兹简介 太赫兹通常是指频率在0.1~10THz的电磁波，是上个世纪八十年代中后期才被正式命名的，在此之前科学家们称其为远红外射线。实际上早在一百年前，就有科学工作者涉及过这一波段。随着80年代一系列新技术、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THz源成为一种准常规技术，THz技术得以迅速发展，并在实际范围内掀起一股THz研究热潮。2004年，美国政府将THz科技评为“改变未来世界的十大技术”之一，而日本于2005年1月8日更是将THz技术列为“国家支柱十大重点战略目标”之首，举全国之力进行研发。我国政府在2005年11月专门召开了“香山科技会议”，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。另外，美国、欧洲、亚洲、澳大利亚等许多国家和地区政府、机构、企业、大学和研究机构纷纷投入到THz的研发热潮之中。 2.2 THz的应用 由于太赫兹的频率很高，所以其空间分辨率也很，又由于它的脉冲很短，所以具有很高的时间分辨率。由此，太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。太赫兹的独特性能给公共安全、环境探测、生物医学、天文观测、军事及通信等领域带来了深远的影响。
太赫兹技术及其应用研究
太赫兹技术及其应用研究 姓名：王结库 学号：0710940414 专业班级：电科074 指导老师：于莉媛
太赫兹技术及其应用研究 摘要：太赫兹技术是一个具有广泛应用前景的新兴学科，近10年来，太赫兹技术理论研究的蓬勃发展带动了太赫兹波应用研究的迅速扩大。作为一种新型的相干光源，太赫兹辐射在物理化学、信息和生物学等基础研究领域，以及材料、国防、医学等技术领域具有重大的科学价值和广泛的应用前景。文章简要介绍了太赫兹波的重要特性集、太赫兹技术的研究现状及应用前景，重点介绍了太赫兹技术的特性、及在国防领域的应用。 关键词：太赫兹；特性；太赫兹波成像；应用 1 引言 太赫兹(Terahertz，简称THz)辐射是对一个特定波段的电磁辐射的统称，通常它是指频率在0.1THz一10 THz(波长在3um～3 mm)之间的电磁波，在某些特定场合，指0.3 THz一3 THz之间的电磁波，还有一种更广泛的定义，其频率范围高达100THz．直到上世纪80年代中期以前，人们对这个频段的电磁波特性知之甚少，形成了远红外线和毫米波之间所谓的“太赫兹空隙”(Teraheaz Gap)，对太赫兹波段广泛的研究兴趣还是在20世纪80年代中期以超快光电子学为基础的脉冲太赫兹技术产生以后．近20年来，随着低尺度半导体技术、超快激光技术以及超快光电子技术的飞速发展，太赫兹技术表现出了极大的应用潜力．作为一种新型的相干光源，太赫兹辐射在物理、化学、信息和生物学等基础研究领域。以及材料、国防、医学等技术领域具有重大的科学价值和广泛的应用前景．本文将对太赫兹辐射的特性进行介绍，并在介绍太赫兹技术的常见应用基础上，着重对太赫兹技术在有关国防领域的潜在应用进行介绍． 2 特性 太赫兹波之所以引起科学界浓厚的研究兴趣，并不仅仅因为它是一类广泛存在而并不为人所熟悉的电磁辐射，更重要的原因是它具有很多独特的性质，正是这些性质赋予太赫兹波广泛的应用前景．从频谱上看，太赫兹辐射在电磁波谱中介于微波与红外辐射之间；在电子学领域。太赫兹辐射被称为毫米波或亚毫米波；在光学领域，它又被称为远红外射线；从能量上看，太赫兹波段的能量介于电子和光子之间． 2.1 波粒二相性 太赫兹辐射是电磁波，因此它具有电磁波的所有特性．太赫兹波具有干涉、衍射等波动特性；在与物质互相作用时，太赫兹波还显示出粒子特性． 2.2 穿透性
太赫兹技术及其应用详解
太赫兹技术及其应用详解 太赫兹研究主要集中在0.1-10 THz 频段。这是一个覆盖很广泛并且很特殊的一个频谱区域。起初，这一频段被称为THz Gap （太赫兹鸿沟），原因是这一频段夹在两个发展相对成熟的频，即电子学频谱和光学频谱之间。其低频段与电子学领域的毫米波频段有重叠，高频段与光学领域的远红外频段（波长0.03-1.0 mm）有重叠。由于这一领域的特殊性，形成了早期研究的空白区。但随着研究的开展，太赫兹频谱与技术对物理、化学、生物、电子、射电天文等领域的重要性逐渐显现，其应用也开始渗透到社会经济以及国家安全的很多方面，如生物成像、THz 波谱快速检测、高速通信、穿墙雷达等。太赫兹之所以具有良好的应用前景，主要得益于其光谱分辨力、安全性、透视性、瞬态性和宽带等特性。例如：自然界中许多生物大分子的振动和旋转频率都处在太赫兹频段，这对检测生物信息提供了一种有效的手段; 太赫兹频段光子能量较低，不会对探测体造成损坏，可以实现无损检测; 太赫兹波对介质材料有着良好的穿透能力，从而可作为探测隐蔽物体的手段; 太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒量级，可以得到高信噪比的太赫兹时域谱，易于对各种材料进行光谱分析; 此外，太赫兹频段的带宽很宽，从0.1-10 THz可为超高速通信提供丰富的频谱资源。 相对于毫米波技术，太赫兹技术的研究还处在探索阶段。太赫兹技术主要包括太赫兹波源、太赫兹传输和太赫兹检测等，其关键部件可以分为无源元件和有源器件。无源元件包括太赫兹传输线、滤波器、耦合器、天线等，而有源器件包括太赫兹混频器、倍频器、检波器、放大器、振荡器等。 1、太赫兹源伴随着太赫兹波生成技术的发展，太赫兹源的研究已有很多有价值的新进展。研发低成本、高功率、室温稳定的太赫兹源是发展太赫兹技术的基础。太赫兹源的分类多种多样，按照产生机理，可以分为基于光学效应和基于电子学的太赫兹源。按照源类型可以分成3 类：非相干热辐射源、宽带太赫兹辐射源以及窄带太赫兹连续波源。
第一届全国太赫兹科学技术学术年会会议手册
第一届全国太赫兹科学技术学术年会 会议手册 2015.3.25-27四川成都 主办单位：太赫兹科学协同创新中心，中国电子学会太赫兹分会 承办单位：自然科学基金-中科院太赫兹科学技术前沿发展战略研究基地，863-12专家组，中国电子科技集团公司第十三研究所专用集成电路 国家级重点实验室，电子科技大学物理电子学院 金牌赞助商：成都至上兴邦科技有限公司
第一届全国太赫兹科学技术学术年会 会议组织机构 大会主席：刘盛纲院士 大会委员会： 高级顾问：陈佳洱院士、周炳琨院士 主席团：刘盛纲院士、吴培亨院士、姚建铨院士、庄松林院士、范滇元院士、杨国桢院士、褚君浩院士、龚知本院士、樊明武院士、刘永坦院士、雷啸霖院士、吴一戎院士、李树深院士、金亚秋院士、许宁生院士、牛憨笨院士、彭堃墀院士、王育竹院士、朱中梁院士、涂铭旌院士、林祥棣院士、姜文汉院士、郭光灿院士、李言荣院士、龚克教授、谢维信教授 委员：陈健、罗先刚、刘濮鲲、蒋亚东、曹俊诚、张存林、崔铁军、冯志红、汪力、张伟力、唐传祥、金飚兵、王华兵、常胜江、盛政明、施卫、秦华、刘峰奇、刘伟伟、朱亦鸣、王金淑、姜万顺、杨梓强、鄢扬 会议执行主席：喻胜 会议秘书长：张雅鑫 副秘书长：钟任斌
第一届全国太赫兹科学技术学术年会 会议安排 会议时间：2015年3月25日-27日 时间安排： ●3月25日报道 ●3月26-27日会议 会议地点：电子科技大学沙河校区一教 会议报告形式： ●4份大会特邀报告（报告时间35分钟，提问时间5分钟） ●23份主题报告（报告时间20分钟，提问时间5分钟） ●20份口头报告（报告时间12分钟，提问时间3分钟） ●63份张贴报告 参展公司： 金牌赞助：成都至上兴邦科技有限公司 会议赞助：上海铭剑科技有限公司 （按笔画排名）中国电子科技集团公司第四十一研究所 北京先锋科技有限公司 成都美克锐科技有限公司
太赫兹技术的军事应用前景
太赫兹技术的军事应用前景 太赫兹（THz）波是电磁波谱家族中的一员，它的频率范围为0.1—10THz，相应的波长范围为3mm—30μm，介于微波和红外线之间，是人类目前尚未完全开发的波谱“空隙”区。20世纪80年代中期以前，由于缺乏有效产生和检测太赫兹波的方法，人们对该频段电磁辐射性质的了解非常有限，因此其发展受到很大限制，应用潜能也未能得到充分发挥。近十几年，由于超快激光技术以及一系列的新技术、新材料的发展和应用，极大地促进了对太赫兹辐射机理、检测、成像和应用技术的研发，使其迅速成为一门新的极具活力的前沿领域。太赫兹波所具有的一些特性在军事领域中的应用正在逐步被开发出来。 一、太赫兹波的特点“透析” 太赫兹波频率范围是处于电子学和光子学的交叉区域，相对于其它波段的电磁波，如微波和x射线等，具有非常强的互补特征。 1.特别的穿透能力 THz辐射能以很小的衰减穿透如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等物质，还可无损穿透墙壁、沙尘烟雾，使得其能在某些特殊领域发挥作用。如太赫兹探测器可直接发射太赫兹波透过墙壁，于室外对室内进行探测，免去需将探测设施置于室内的麻烦。这特别适于防暴警察与室内歹徒对峙时，可从墙外掌握室内情况，如歹徒位置、武器配置等,极大的确保警方安全。 2.较高的探测安全性 由于太赫兹波的光子能量很低，只有几个毫电子伏特，当它穿透过物质时，不易发生电离，因而可用来进行安全的无损检测。太赫兹的光子能量很低，只有毫电子伏特，因此不容易破坏被检测物质。如果用太赫兹检测物质，就可以发现内部瑕疵而又不损害该物质。不同于X射线，太赫兹射线是一种不电离的射线，所以，太赫兹波适合于对生物组织进行活体检查。它们还可以穿透衣服、包装，甚至于渗透人体几毫米深，因此，太赫兹波也是安全检查和医学应用的理想工具。例如，用于人体成像的X光的光子能量高，对人体所造成非常大的伤害，而应用太赫兹技术制成的成像设备，则能将这种照射对人体的伤害降低100万倍。 3.较强的识别物质和成像能力 研究表明大量有机分子、半导体能量特征在太赫兹范围，每种材料的太赫兹频谱特征是不同的。只要建立了这些物质的太赫兹频谱特征数据库，就可以采取“指纹”识别的方法来进行检测。太赫兹波除了识别物质外，还可以通过反射波的测量得到物质的图像。利用成像系统把成像样品振幅或相位信息进行处理和分析，就可以得到样品的THz图像。太赫兹波成像的一个显著特点是信息量大，可准确显示物质的内外部信息。目前太赫兹显微成像的分辨率已达到几十微米。 4.大容量、高保密的宽带信息载体 太赫兹波的频带宽、测量信噪比高，适合于大容量与高保密的数据传输，而且太赫兹波处于高载波频率范围，是目前手机通信频率的1000倍左右，可提供10 GB/s的无线传输速
太赫兹技术空间应用进展分析与展望
2017年第2期 空间电子技术 SPACE ELECTRONIC TECHNOLOGY1太赫兹技术空间应用进展分析与展望0 雷红文，王虎，杨旭，段崇棣 (中国空间技术研究院西安分院，西安710000) 摘要：太赫兹波处于l〇n~l〇13H z,介于微波和远红外之间，是极具研究和开发价值的新频率资源。近年来，随着空间栽荷技术的飞速发展，太赫兹频段的空间栽荷所表现出来的高分辨率性能和轻小型化特点更是让人叹服，由于国内外研究机构越来越重视太赫兹技术,太赫兹空间栽荷系统方面的开发和应用研究获得了极大的发展。文 中详细介绍了国内外对太赫兹技术的空间应用，并且指出了发展方向。 关键词：太赫兹技术;太赫兹遥感；太赫兹通信；太赫兹雷达;应用进展 中图分类号:V474 文献标识码:A 文章编号= 1674-7135(2017) 02-0001-07 D O I：10.3969/j.issn. 1674-7135.2017.02.001 Analysis and Progress of Terahertz Techniques Applied in Space Science LEI Hong-wen,WANG Hu,YANG Xu,DUAN Chong-di (China Academy of Space Technology( Xi ’ a n)，Xi ’ an 710000,China) Abstract ：Terahertz band shows a good research and application prospect because it is located between infrared and millimeter wave(10n ?1013Hz).With the development of space technology，the high resolution and miniaturization of the THz systems is amazed.The space systems of the THz technology are developed rapidly due to research institute the pay at-tention to it. The space applications and its development of Terahertz technology were presented in this paper. Key words：THz technology；THz remote sensing；THz communication；THz radar；Apply progress 〇引言 太赫兹波通常是指频率位于〇.1?10 T H z之间 的电磁波，该频段波长为3 mm~30 pm,是宏观电子 学向微观电子学过渡的波段。由于波长短，光子能 量低，该波段的器件研制对加工精度、半导体材料和 工艺有着苛刻的要求，直到加工工艺的提升和技术 的进步，太赫兹技术才迎来了逐步的发展。经过近 三十年的高速发展，该波段的理论机理研究日益完 善。各种太赫兹源和探测方式的涌现，扫除了太赫 兹技术研究的障碍，而各类系统和器件成熟化、商业 化，已把太赫兹技术推向市场应用。曾经的太赫兹 频谱“空白”，现已成为科学研究和科技创新的热点少J i] <<—-〇 与两侧较为熟知的毫米波与红外光相似，该波 段的系统应用具有其独特性，已获得了国内外大量 研究者的关注。如太赫兹频谱区域聚集了丰富的频 谱特征，这些谱特征与基本的物理过程如分子的转 动跃迁、有机化合物的大振幅振动、固体的晶格振 动、半导体的带内跃迁和超导体的能带带隙相关，这 使得太赫兹波在气象遥感、深空探测、天文探测和频 谱分析等方面应用广泛;太赫兹波频率高，可承载带 宽大，小口径天线具有高增益，可实现数十Gb p s传 输速率的轻小型化安全保密和抗干扰的通信系统终 端;而太赫兹波对大部分非金属材料和沙尘烟雾的 ①收稿日期:2016-11 -30;修回日期：2017-01 -11。 基金项目：国家自然科学基金（11505135; 61501367)。 作者简介:雷红文（1985—），博士,研究方向为空间微波、毫米波、太赫兹技术。
浅谈太赫兹科学与技术
浅谈太赫兹科学与技术 人类对太赫兹(THz)辐射的认识可以追溯到20世纪初天体物理学家开始进行红外天文学的研究,远处天体上的简单分子如一氧化碳等的振动和转动特征光谱会在太赫兹波段上留下印迹。时至今日, 红外天文学仍是天体物理研究的一个热点领域。但是直到过去的二十年时间里, 伴随着更大功率的太赫兹辐射源和更加灵敏的探测装置的发展, 太赫兹研究才得以快速的发展。 太赫兹辐射可定义为0.1~10太赫波段的电磁波振荡。太赫兹波段在电磁波谱上处在红外辐射和微波之间, 比太赫兹频率更高的红外波段以及更低的微波波段分别属于已经发展得非常成熟的光学和电子学的研究范畴。相比较而言, 材料在太赫兹波段的性质则尚未被深入研究人们对太赫兹波段的认识首先得益于过去二十年中超快光电子学的发展。从1980年代利用飞秒激光脉冲在半导体表面实现太赫兹脉冲的发射和探测开始, 物理学家在发展和使用太赫兹技术方面已经取得了很多研究成果。例如, 发明太赫兹量子级联激光器, 利用太赫兹技术检测飞摩尔含量的无标记DNA单碱基对的差异, 研究多粒子电荷体系与太赫兹光谱相互作用, 利用太赫兹技术对航天飞机隔热材料的无损探伤和近场的太赫兹显微技术等。太赫兹技术正从实验室走向实际应用 太赫兹辐射光源及探测技术 制约太赫兹科学发展的主要因素是缺乏高功率并可在室温下稳定工作的太赫兹辐射源。当今高速电子学和激光科学的发展提供了一系列已有的和有潜力的太赫兹光源。这些太赫兹光源可以被分为非相于的热辐射源、宽波段太赫兹脉冲和窄波段的连续波太赫兹辐射。 热辐射太赫兹源 自然界中存在着丰富的太赫兹辐射, 比如宇宙大爆炸背景辐射的一半能量集中在太赫兹波段, 室温物体热辐射的峰值频率则处于6太赫左右。实际应用中使用的非相干的太赫兹热辐射源利用太赫兹波段的黑体辐射作为太赫兹光源。这一光源通常与红外傅里叶变换光谱仪(FTIR)配合使用,FTIR是化学研究中最常见的用来研究分子共振的手段之一, 其优越性是具有很宽的光谱波段, 可以用来研究材料从太赫兹到近红外波段的光谱性质在FTIR的实验中, 宽波段的辐射源通常由电弧灯或加热的SIC棒担任, 样品被置于一个光学干涉仪系统中, 通过改变干涉仪的一个臂的行程, 并利用一个直接的强度测量装置, 如液氦冷却的热辐射测量仪(bololleter)来测量于涉信号。FTIR系统的缺点是其有限的光谱分辨率和在低频(小于3太赫)较低的灵敏度。
太赫兹(THz)技术及其在深空探测中的应用
太赫兹（THz）技术及其在深空探测中的应用 余小游，李仁发，余方，谌晓明，李斌 （湖南大学计算机与通信学院，湖南长沙 410006） 摘要：随着微纳器件工艺的长足进步，太赫兹波的产生、探测与发射已经成为可能，消除电磁波谱中的太赫兹空隙指日可待。太赫兹技术在深空探测遥感成像、深空探测通信方面的应用前景十分广阔。本文在简要介绍太赫兹基本理论和技术（简称THz技术）的基础上，对其应用于深空探测的前景进行初步探讨。 1 引言 太赫兹波是指频率介于0.1-10THz之间的电磁波（波长为），是处于毫米波和红外波之间的相当宽范围的电磁辐射区域，涵盖了毫米波（0.03－0.3THz）高端（0.1－0.3THz）、亚毫米波（0.3－3THz）、远红外波（0.3－6TGHz）、中红外波（6－120THz）低端（6-10THz）的广泛波谱区域。太赫兹波虽然广泛存在于自然界，如人体热辐射、生物大分子的振动和转动频率、天体辐射到地球的电磁波中的大部分、约50%的宇宙空间光子能量、大量星际分子的特征谱线等都处于太赫兹频段，但长期以来，由于缺乏有效的太赫兹辐射产生和检测方法，导致太赫兹频段的电磁波未得到充分的研究和应用，这个现象被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙”。 太赫兹波段处于电子学和光子学的交叉区域，太赫兹波的理论研究也处在经典电磁场理论和量子跃迁理论的过渡区，其性质表现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性，从而可广泛应用于波谱分析、成像和通信等领域。太赫兹波又被称为T-射线，它在物理学、材料科学、医学和遥感成像、射电天文、宽带保密通信、深空探测测控通信方面具有重大的应用前景。 2 THz技术的研究现状 太赫兹空隙现象存在多后，随着60GHz以下电磁波频段的日益拥挤、以及应用的不断发展需要，太赫兹波段成为人们重点关注的对象，太赫兹科学和技术也成为倍受各国政府支持和重视的先进科学技术，欧、美、日、俄等国家和地区投入大量人力、物力和财力进行相应的基础性理论研究和技术应用开发。 美国：THz技术在美国得到了很大的重视和发展，2004年被列为改变未来世界的十大技术之一，在2006年被列为美国防重点科学，目前美国有多个政府机构和民间企业和机构正在积极研究此项技术，包括美国宇航局（NASA）、美国国防部（DARPA）、NSF、LLNL、LBNL、JPL、BNL、ALS、Bell、IBM等，目前已经研究出的标志性成果是0.225THz机栽雷达。 欧洲：欧洲主要有STARTIGER、IST、THz-Bridge、Teravision、NanoTera、WANTED 等机构，制定的研究主题有THz辐射成像（2004-2008），分子生物学研究（2004-2009），THz空间天文学（2005-2009），THz遥感（2005-2012），光子带隙材料（2004-2009），微机械探测器（2006-2015）年，标志性成果是研制出THz远距离检测系统（2006年重大项目）。 日本：日本政府在2005年1月也把太赫兹技术确立为今后十年内重点开发的“国家支柱技术十大重点战略目标”之首，并列入日本政府从2006年开始到2010年结束的第三期科学技术基本计划予以支持。除此之外，日本还与欧美合作，成立ALMA计划，建设全球最大的射电天文亚毫米波干涉阵，计划投资10亿美元，每年开展三方研讨会，该计划受到欧美日政府的高度重视。日本在研制太赫兹技术的标志性成功是2006年研制出1.5公里THz无线通信演示系统，完成世界上首例THz通信演示。 中国：中国科学院物理所建立了国内第一台THz光谱测量系统【2】，并对GaAs中载流子的超快弛豫过程以及GaAs／Au界面电场的快速变化过程进行了较深入的研究；由姚建铨院士带领的天 217