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太赫茲技術(shù)

太赫茲（terahertz, 簡(jiǎn)稱THz）波通常是指頻率在 0.1~10 THz（波長(zhǎng)在0.03~3 mm）波段的電磁波，它的長(zhǎng)波段與毫米波（亞毫米波）相重合，其發(fā)展主要依靠電子學(xué)科學(xué)技術(shù)，而它的短波段與紅外線（遠(yuǎn)紅外）相重合，其發(fā)展主要依靠光子學(xué)科學(xué)技術(shù)，所以太赫茲波是宏觀電子學(xué)與微觀光子學(xué)研究的交叉領(lǐng)域，對(duì)于電子學(xué)與光子學(xué)研究的相互借鑒和相互融合具有重要的科學(xué)意義和極大的研究?jī)r(jià)值。

太赫茲科學(xué)技術(shù)綜合了電子學(xué)與光子學(xué)的特色，涉及物理學(xué)、化學(xué)、光學(xué)工程、材料科學(xué)、半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)、真空電子學(xué)、電磁場(chǎng)與微波技術(shù)、微波毫米波電子學(xué)等學(xué)科，是一個(gè)典型的交叉前沿科技領(lǐng)域。

太赫茲歷史及國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

實(shí)際上, 早在一百多年前, 就有科學(xué)工作者涉及過該波段的研究，即在1896年和1897年，Rubens和Nichols對(duì)該波段進(jìn)行先期的探索。在之后的近百年間, 太赫茲科學(xué)與技術(shù)得到了初步的發(fā)展, 許多重要理論和初期的太赫茲器件相繼問世。而“ Terahertz”這個(gè)詞語正式在文章中出現(xiàn)卻是在1974年左右, Fleming用它來描述邁克爾遜干涉儀所覆蓋的一段頻段的譜線?，F(xiàn)代太赫茲科學(xué)與技術(shù)的真正發(fā)展則是在20世紀(jì)80年代中期, 隨著一系列新技術(shù)、新材料的發(fā)展, 特別是超快技術(shù)的發(fā)展, 使得獲得寬帶穩(wěn)定的脈沖太赫茲源成為一種常規(guī)技術(shù), 太赫茲技術(shù)也從此得以迅速發(fā)展。

由于THz所處的特殊電磁波譜的位置, 它有很多優(yōu)越的特性, 有非常重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值, 使得THz受到全世界各國(guó)政府的支持, 并給予極大的關(guān)注。美國(guó)、歐州和日本尤為重視。

我國(guó)政府在2005年11月專門召開了“香山科學(xué)會(huì)議”, 邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)多位在THz研究領(lǐng)域有影響的院士專門討論我國(guó)THz事業(yè)的發(fā)展方向, 并制定了我國(guó)THz技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃。我國(guó)的THz學(xué)科研究受到政府和各研究機(jī)構(gòu)的廣泛重視。國(guó)家科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、863計(jì)劃(民口和軍口)及第270次香山科學(xué)會(huì)議等都將太赫茲科學(xué)技術(shù)列為研究主題。

然而，太赫茲技術(shù)的發(fā)展仍然受到太赫茲輻射源、太赫茲探測(cè)器以及許多太赫茲功能器件的制約，盡管這些領(lǐng)域的研究已經(jīng)進(jìn)行了二十多年，但與激光技術(shù)相比，太赫茲技術(shù)所需要的許多關(guān)鍵器件還是十分有限的，很多技術(shù)尚待開發(fā)，甚至一些基礎(chǔ)理論研究也是急需發(fā)展的。

太赫茲輻射的獨(dú)特性質(zhì)

太赫茲電磁輻射具有很多獨(dú)特的性質(zhì), 正是這些特性賦予了太赫茲輻射廣泛的應(yīng)用前景。相對(duì)于高頻電磁波, 太赫茲輻射的一些基本特征如下：

1）高透性:太赫茲對(duì)許多介電材料和非極性物質(zhì)具有良好的穿透性, 可對(duì)不透明物體進(jìn)行透視成像, 是X射線成像和超聲波成像技術(shù)的有效互補(bǔ),可用于安檢或質(zhì)檢過程中的無損檢測(cè)。另外, 太赫茲在濃煙、沙塵環(huán)境中傳輸損耗很少, 是火災(zāi)救護(hù)、沙漠救援、戰(zhàn)場(chǎng)尋敵等復(fù)雜環(huán)境中成像的理想光源。

2）低能性:太赫茲光子能量為4.1 meV(毫電子伏特), 只是X射線光子能量的107 ～ 108 分之一, 該值低于各種化學(xué)鍵的鍵能。太赫茲輻射不會(huì)導(dǎo)致光致電離而破壞被檢物質(zhì), 非常適用于針對(duì)人體或其他生物樣品的活體檢查。另外, 水對(duì)太赫茲輻射有極強(qiáng)的吸收, 所以該輻射不會(huì)穿透人體的皮膚, 對(duì)人體是很安全的。由此, 太赫茲輻射是皮膚癌、齲齒洞等醫(yī)學(xué)檢測(cè)的理想工具。

3）指紋譜性:太赫茲波段包含了豐富的物理和化學(xué)信息。大多極性分子和生物大分子的振-轉(zhuǎn)能級(jí)躍遷都處在太赫茲波段, 所以根據(jù)這些指紋譜, 太赫茲光譜成像技術(shù)能夠分辨物體的形貌, 鑒別物體的組分, 分析物體的物理化學(xué)性質(zhì), 為緝毒、反恐、排爆等提供相關(guān)的理論依據(jù)和探測(cè)技術(shù)。

太赫茲輻射的研究?jī)?nèi)容

THz技術(shù)主要的研究?jī)?nèi)容有:THz理論、源發(fā)射器、檢測(cè)、傳播、設(shè)備、應(yīng)用基礎(chǔ)研究及其應(yīng)用等。

1） THz源發(fā)射器

目前THz源發(fā)射器的研究主要有差頻發(fā)生(differencefrequencygenerator, DFG), 太赫茲波參量振蕩器(Terahertzparameteroscillator, TPO)及其他THz源發(fā)生器。THz源發(fā)生器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

集成調(diào)制功能的光混頻產(chǎn)生太赫茲波器件如圖3所示。工作在1550nm的重離子輻照In0.53 Ga0.47As材料制作的光混頻器件。光混頻器件的陣列集成(見圖4)可提高輸出功率。無線鏈路發(fā)射機(jī)由射頻塊、基帶塊、功率/控制塊和天線構(gòu)成, 其中射頻塊由發(fā)射機(jī)模塊、功率放大器模塊和鎖相振蕩器(phase-lockedoscillator,PLO)構(gòu)成。

2） THz檢測(cè)器

THz檢測(cè)器結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。接收端有高速光電探測(cè)器、微波濾波器以及大功率放大器。射頻塊由MMIC接收機(jī)模塊構(gòu)成, 接收機(jī)模塊包括低噪聲放大器(lownoiseamplifier, LNA)和ASK解調(diào)器。接收機(jī)MMIC集成到一個(gè)波導(dǎo)模塊包上。經(jīng)過受限放大器的解調(diào)信號(hào)進(jìn)入時(shí)鐘和數(shù)據(jù)恢復(fù)(clockdatarecovery,CDR)電路, 然后經(jīng)過E/O轉(zhuǎn)換器, 輸入到外部光纖中。檢測(cè)器主要有基于GaN/AlGaN多量子阱和AlGaN薄膜上的高電子遷移率晶體管(HEMT)探測(cè)器。

光載THz波通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。圖6中,發(fā)送端在雙模鎖模自混頻實(shí)現(xiàn)毫米波上下變頻、調(diào)制。多個(gè)不同波長(zhǎng)的DFB激光器用同一個(gè)外調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制, 頻率為fc/N, 經(jīng)解復(fù)用后分別注入不同的FP激光器,通過注入鎖模產(chǎn)生具有不同中心波長(zhǎng)的雙波長(zhǎng)輸出。接收端在PD中相干混頻后直接輸出數(shù)據(jù)。

結(jié)語

近二十多年來，太赫茲科學(xué)技術(shù)已經(jīng)取得了一些重要的研究成果，太赫茲技術(shù)的應(yīng)用也在不斷擴(kuò)展到波譜、成像、通信、雷達(dá)、天文、氣象、石油、化工、軍事、安全、國(guó)防、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域，并正在取得不斷的突破和進(jìn)步。太赫茲科學(xué)技術(shù)的研究任重道遠(yuǎn)，太赫茲科學(xué)技術(shù)的發(fā)展前景遠(yuǎn)大。

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