太赫兹技术 3分钟了解太赫兹技术

太赫兹波是电磁波中最神秘的存在，被认为是未来颠覆安检、通信、生物医学等诸多行业的力量，引起了政府、科研和业界的关注。

近日，河北省政府发布《关于加快产业转型升级构建现代产业体系的指导意见》，提出要面向未来，提前布局、开发和储备一批引领产业变革的颠覆性技术，积极培育和发展量子通信、太赫兹、石墨烯、添加剂制造等未来产业。

那么现在太赫兹技术的发展如何呢？未来的技术趋势和应用场景是什么？

太赫兹波(THz，1 THz=1012 Hz，简称太赫兹)是指频率范围为0.1至10太赫兹，相应波长范围为3毫米至30微米的电磁波谱区域，位于毫米波和红外光学之间。随着现代科学技术的发展，人们对毫米波和红外光的研究不断深入，其器件和应用技术日益成熟，形成了毫米波和红外光学两大应用和研究领域。

然而，在毫米波和红外光之间的太赫兹光谱区域，由于缺乏高效的太赫兹辐射源、探测器和功能器件，丰富的太赫兹光谱资源没有得到充分开发和利用，成为当前学术界的研究热点。

太赫兹技术的研究主要集中在太赫兹辐射、太赫兹探测、太赫兹通信和太赫兹成像方面。其中，高效的太赫兹辐射源和探测技术是推动太赫兹技术应用的关键。

太赫兹辐射技术

在许多太赫兹技术的研究中，太赫兹辐射源的研究占有非常重要的地位。太赫兹辐射主要通过三种方式产生:

●基于电子技术的太赫兹辐射源，包括倒波管、耿氏振荡器、固态倍频源等。，这是毫米波技术向高频方向的延伸。这些太赫兹辐射源工作在1 THz以下，输出功率通常在几十微瓦到几毫瓦的数量级；

●基于光子学技术的太赫兹辐射源，包括量子级联激光器、自由电子激光器和气体激光器等。，是激光技术向低频的延伸。这些太赫兹辐射源输出功率高，具有良好的应用潜力。基于太赫兹激光的光频梳技术在高分辨率成像和光谱应用方面具有广阔的前景；

●基于超快激光技术的太赫兹辐射源，朝着1太赫兹附近的高频和低频方向发展。这种太赫兹辐射源具有脉宽窄、峰值功率高的优点，但存在能量转换效率低、平均输出功率低的问题。

因此，探索一种室温、高输出功率、可连续调谐、小型化的辐射源将极大地推动太赫兹技术的研究，也是目前太赫兹领域的一个重要发展目标。

太赫兹探测技术

太赫兹探测技术也是太赫兹技术研究的重要组成部分，涉及物理学、光电子学、材料科学和半导体技术，是一门综合性很强的技术。根据探测原理，可以分为太赫兹热探测器和太赫兹光子探测器。

●太赫兹热探测器的工作原理是:探测材料吸收太赫兹辐射，引起材料温度、电阻等参数的变化，然后转化为电信号。

常见的太赫兹热探测器主要有氘代三乙烯硫酸盐热释电探测器、微机械硅测辐射热计探测器、钽酸锂热释电探测器、超导隧道结和热离子混合器。

●在太赫兹光子探测器中，电磁辐射直接被材料中的束缚电子或自由电子吸收，引起电子分布的变化，进而给出电信号输出。

常见的太赫兹光子探测器包括太赫兹量子阱探测器、肖特基二极管和高迁移率晶体管等离子体波太赫兹探测器。热探测器的极限探测灵敏度与探测器的工作温度成正比，因此高灵敏度的太赫兹热探测器需要在低温下工作。

太赫兹光子探测器通常具有较高的损伤阈值和较大的线性响应范围。检测灵敏度和响应速度之间没有相互限制，它们可以同时具有高检测灵敏度和快速响应能力。

超导HEB混合器的显微放大

太赫兹量子阱探测器示意图:(a)器件结构；(二)装置的能带结构和工作原理

图片来源:金彪冰等，物理42，770 (2013)。

太赫兹通信技术

太赫兹通信技术是基于传统的无线通信。由于太赫兹通信系统具有带宽宽、传输速率高、保密性好的特点，随着现代社会对无线通信速率的要求越来越高，现代通信技术不可避免地使用太赫兹波作为无线通信的载体。太赫兹通信的应用场景包括短距离高速无线通信、空之间的通信以及复杂军事环境下的保密通信。

目前太赫兹通信还处于关键器件研发、太赫兹通信系统整体结构方案可行性论证、实验室研究和仿真论证阶段。迫切需要开发高性能太赫兹固态器件，解决太赫兹信号的调制和信号处理技术，并制定相应的技术标准。

因此，太赫兹通信技术可以实现更高速的信息传输，抢占带宽资源，不仅具有很高的经济价值，而且具有很高的战略意义。

太赫兹通信技术应用概念图:太赫兹链路用于基站和设备之间的数据传输

图片来源:T. nagatsuma等人，《自然光子学》10，371 (2016)。

太赫兹成像技术

由于太赫兹频段的光子能量较低，不会对被测物体造成损伤，对一些非极性材料有很好的穿透能力。因此，基于太赫兹波穿透和安全优势的成像技术的发展，可以对被测物体进行成像，从而实现无损检测和安全检测。

根据成像机理，太赫兹成像可以分为被动成像和主动成像:

●被动成像是利用太赫兹探测器探测被测物体的辐射能量，利用不同物质辐射强度的差异实现成像和鉴别。被动成像是一种相对安全的成像方法，但成像系统对信号强度和接收器灵敏度要求较高。

●太赫兹主动成像主要利用太赫兹辐射源发射一定强度的太赫兹信号照射待测物体，利用太赫兹探测器接收待测物体的反射波或透射波，通过成像系统对探测器探测到的振幅和相位信息进行分析处理，得到被照射物体的图像。主动成像系统可以检测包括塑料和生物组织在内的非金属材料，并能有效地进行三维成像。

利用太赫兹彩色成像装置成功实现了对隐藏农药残留草酸铜、抗生素甲萘醌和维生素K的无损识别

图片来源:周治涛等，高级科学1700982 (2018)。

摘要

太赫兹波因其在电磁波谱中的特殊地位，具有重要的学术价值和应用前景。目前，国内外太赫兹研究机构在太赫兹辐射源、探测器和太赫兹应用技术方面取得了一些重要的研究成果，为太赫兹技术的应用奠定了良好的基础，特别是太赫兹安检和通信技术的应用正逐步走向商业化。可以预见，随着太赫兹技术的不断成熟，太赫兹技术领域将产生更多具有自主知识产权和自主核心技术的成果和产品，促进国民经济的发展。