太赫兹技术及应用

改变世界的十大技术——
太赫兹技术及其应用
曹恒镇，160212205

作为一名科技爱好者，我曾从一位从事军工研究的朋友那里了解到一个专业术语——"太赫兹"。这一概念最初让我感到困惑：作为一个刚入门的新手学者，在接触光电领域的相关研究后发现这一技术与光电子学有着密切联系，并被归类为交叉性研究方向。令人惊喜的是，在最近的一场评选中，“太赫兹”技术意外地被选为"十大改变世界的技术之一"。那么到底是什么样的技术魅力让它倍受关注呢？下面让我们一探究竟：

什么是太赫兹： 那么‘太赫兹’是什么？实际上‘太赫兹’(THz)即Terahertz这一单位的英文译名。它指的是频率范围为100 GHz至10 THz之间的电磁波（如图1所示）。

在电磁频谱中，红外与微波技术已在太赫兹波段两端占据了相对成熟的地位。然而，在此特定频段内却 marshal了极其匮乏的研究成果与数据资料，在这一范围内既不宜完全依赖光学理论进行处理研究也不宜完全依循微波理论来进行深入探究；此外，在很大程度上受限于有效的太赫兹源与探测装置的存在限制，“Terahertz Gap”这一概念一度被学术界称为“太赫兹鸿沟”。近年来随着激光器技术的飞速发展，在此频段上实现了稳定的激光光源输出；与此同时THz信号的探测技术也取得了突飞猛进的进步；这使得太赫兹技术的应用前景愈发广阔；如今该技术已在医疗诊断天文观测物体成像工业探伤以及宽带移动通信等领域展现出显著的科学价值与巨大的实用前景

太赫兹的主要特性：
1：相干性：由于它是由相干电流驱动的电偶极子振荡产生，或又相干的激光脉冲通过非线性光学频率差频产生，因此有很好的相干性。THz的相干测量技术能够直接测量电场振幅和相位，从而方便提取检测样品的折射率，吸收系数等。
2：低能性：THz光子的能量只有10^{-3量级，远小于X射线的10}3量级，不易破坏被检测的物质，适合于生物大分子与活性物质结构的研究。
3：穿透性：THz辐射对于很多非极性物质，如塑料，纸箱，布料等包装材料有很强的穿透能力，在环境控制与安全方面能有效发挥作用
4：吸收性：大多数极性分子对THz有强烈的吸收作用，可以用来进行医疗诊断与产品质量监控。
5：瞬态性：相比于传统电磁波与光波，THz典型脉宽在皮秒量级，通过光电取样测量技术，能够有效抑制背景辐射噪声的干扰，在小于3THz时信噪比达10^4:1。
6：宽带性：THz脉冲光源通常包含诺干个周期的电磁振荡，单个脉冲频宽可以覆盖从GHz至几十THz的范围，便于在大的范围内分析物质的光谱信息。

太赫兹产生器：
产生器大致可分为四个类别：
1）基于光子学的太赫兹发生装置（包括光电导天线与光整流装置）（主要介绍）
A：光电导天线：
在半导体材料表面覆盖于偶极天线结构上并施加工作电势差的情况下，在超快激光照射下会在材料表面迅速形成电子空穴对群体（数量级为10^-4秒水平）。这些快速产生的光生载流子将在外加偏置电场与内建电场共同作用下加速运动，并在材料表面形成随时间变化的光电流分布模式。这种动态电流的变化会有效发射出相应的太赫兹脉冲序列（如图所示）

详细信息如下：张清刚、周俊合著的《光电导太赫兹天线及其研究进展》发表于《现代电子技术》期刊上（见第4卷第7期），其内容涵盖该领域的重要研究成果（卷内页码为89至98）。
http://www.docin.com/p-1409620753.html

B：光整流：（最为广泛使用）
另一种机制：光整流是产生太赫兹脉冲的重要手段之一。它属于非线性光学范畴，在这种机制下，当同频率的强激光束在非线性介质中传播时，在二阶非线性效应的作用下会发生差频振荡效应。这种现象导致一个与入射光强度成正比而与频率无关的直流低频极化电场形成，并与电光效应形成互逆过程。
基于傅立叶分析理论可知，在线性介质中两种激光束能够独立传播且不改变振动频率；然而，在非线性介质中它们会发生相互作用并产生叠加效果。具体而言，在出射光谱中除了保留与入射激光具有相同频率成分外还会出现其他频率成分（例如差频成分）。值得注意的是当入射的是超短激光脉冲时通过差频振荡效应会激发一个恒定不变（不随时间变化）的电极化场这一现象被定义为光学整流效应。如果入射到介质中的是一束超短激光脉冲则根据傅立叶变换理论可知该脉冲可分解为一系列单色光束叠加状态；这些单色光线在经过非线性介质后会发生相互作用其中由差频振荡产生的低频时变电极化场会转化为可测量的超快太赫兹波这一现象被称为亚皮秒或太赫兹光整流效应其产生的电磁波强度与其泵浦激光脉冲峰值功率呈正相关关系即 pump power 越高输出波长范围越宽广且覆盖频谱带宽也越大通过调控介电材料的空间周期排列还可以有效控制所生成太赫兹脉冲的时间结构等特性。
参考文献：邵立,路纲,程东明.光整流太赫兹及其研究进展[J].激光和红外,2008,9(9):872-875

c)：空气产生太赫兹(略)
d)：太赫兹参量源(略)
2)：半导体太赫兹源(包括太赫兹量子级联激光器等)
半导体激光可能是发射窄波段的太赫兹辐射的终极技术。最早的这种激光器是 20年前在浅掺杂的p型Ge中，使用正交的电磁场引起空穴数反转形成的。通过改变外加磁场和压力的方法，可以改变输出激光的频率。通过施加一个非沿轴向的强压，引起半导体Ge的空穴数反转也可以产生太赫兹激光。但是这些激光有一些固有的缺陷，如效率低、输出功率低，需要低温冷却以保证激光条件等。现在，利用一定的半导体生长工艺或电子射频上转换技术、光频下转换技术，可以使一些半导体激光器，如太赫兹量子级联激光器、GaAs
肖特基二极管倍频链、耿氏振荡器等都能够输出太赫兹辐射

基于真空电子器件的太赫兹辐射源（纳米行波管及其阵列、返波振荡器、纳米速调管及其阵列、回旋管、自由电子激光器、相对电子注或等离子体电子器件等）采用先进的微细加工技术手段（如LIGA技术（一种结合X射线刻蚀与电铸工艺的技术））、MEMS微电子机械系统加工技术等方法（如LIGA是一种结合X射线刻蚀与电铸工艺的技术），将固态制造技术成功引入到真空电子领域之中（即通过固态制造技术实现了微型真空电子器件的精确制造）。这些微型真空电子器件（μVED）具备超越传统三极管/四极管的渡越时间效应的优势，并且通过应用微波管分布作用原理能够使工作频率达到太赫兹频段（从而形成有效的太赫兹辐射源）。其特点包括低噪声特性/高增益性能/高效能输出以及紧凑的小型化设计与轻量化优势等显著特点。然而这些器件在实际应用中仍面临一些局限性/挑战/问题如射频窗口限制/波导元件性能不足/磁聚焦效果欠佳以及阴极与电子枪装配精度不足等问题这些问题直接影响着微型真空电子器件的整体性能指标目前相关研究仍处于探索阶段未来有望开发出具有广泛应用前景的太赫兹微小型真空辐射源

基于相对论电子束的多模态太赫兹辐射特性研究

作为太赫兹科技中的核心技术之一之一之一之一之一之TooHz探测技术也同样是该领域中的另一项关键技术和重要的应用环节这一技术的发展对于提升实际应用水平具有重要意义目前由于现有的TooHz辐射源普遍具有较低功率因此开发高灵敏度高信噪比的TooHz探测技术显得尤为重要而TooHz信号的探测手段多种多样但根据其发射形式的不同通常可将其分为基于TooHz脉冲辐射的探测以及基于连续波信号的两种主要类型
1 TooHz脉冲辐射的探测
A光电导取样作为一种基于光导天线工作原理逆过程而发展起来的一种检测TooHz脉冲信号的技术当需要对TooHz脉冲信号进行检测时首先应将一个未加载偏置电压的光致导体放在对应的光路中以便于在施加一个控制作用波脉冲门控时能够触发该光致导体此时门控波与激发波之间存在可调节的时间延迟关系这种延迟可以通过调节时序或使用延遲線進行调控随后用一个门控波对该光致导体施加作用从而产生電子空穴對即自由载流子在此时同步到达的 TOO_HZ 腳窝波则会作為施加在光致导体上的偏置電場來驅動這些载流子运动從而在光致導體中形成光电流最後通过连接该光致导体的一个电流表来检测这个光电流即可因為此光电流与瞬時电场成正比

B：) 电光采样
极为宽广的频谱响应与极佳的信噪比是该类技术的核心优势之一。此外,由于其较大的测量孔径特性,该方法也可直接用于二维成像测量工作。其中,时间分辨型电光采样是通过对太赫兹脉冲的时间波形进行采样来实现测量;而频率分辨型电光采样则是通过将太赫兹脉冲的时域波形复制到被啁啾展宽后的各频率成分上,并通过对啁啾信号进行光谱分析来完成采样过程。
a:时间分辨型电光采样
该类技术基于线性电光效应:当太赫兹脉冲通过晶体材料时,会产生瞬态双折射现象,从而影响检测信号在晶体内的传播特性。当接收脉冲与太赫兹脉冲同时通过晶体材料时,太赫兹信号会引发晶体折射率的空间非均匀性变化,导致接收信号的空间偏振状态发生变化。通过调节接收脉冲与太赫兹脉冲之间的时间延迟间隔,并检测接收到的偏振变化情况,就可以重建出太赫兹信号的时间域波形信息。

自由空间电光取样太赫兹探测，如图3-3所示。图中的激光器为飞秒激光器，当它所发出的飞秒激光脉冲激光分束器之后，分为探测脉冲和泵浦脉冲。泵浦脉冲是用来激发太赫兹发射极使其产生太赫兹脉冲，然后太赫兹脉冲又被离轴抛物面镜准直聚焦后，经半透镜照射到电光晶体之上，电光晶体的折射率椭球将会被其改变。当线偏振的探测脉冲在晶体内与太赫兹光束共线传播时，它的相位会被调制。由于电光晶体的折射率会被太赫兹脉冲电场改变，所以探测光经过电光晶体时，其偏振状态将会由线偏振转变为椭圆偏振，再经偏振分束镜（这里常用的是沃拉斯通（Wollaston）棱镜）分为s偏振和p偏振两束，而这两束光的光强差则正比于太赫兹 电场。使用差分探测器可以将这两束光的光强差转换为电流差，从而探测到太赫兹电场随时间变化的时域光谱来。利用机械电动延迟线可以改变太赫兹脉冲和探测脉冲的时间延迟，通过扫描这个时间延迟可得到太赫兹电场的时域波形。为了提高灵敏度和压缩背景噪声，可以采用机械斩波器来调制泵浦光，而后利用锁相探测技术，即可获得太赫兹电场振幅和相位的信息。
b：波分电光取样
为了提高采集速率，可采用并行数据采集，即波分电光取样，也可称其为啁啾脉冲光谱探测。。。这里不介绍了，太过于专业了。。。有兴趣自行了解
c：空气探测太赫兹
由于空气无处不在，所以空气传感器的最大优势在于能够灵活选择感测位置。也不介绍了
2：连续太赫兹信号的探测
对于连续太赫兹波的探测，最常用的热效应探测器，它们是基于热吸收的宽波段直接探测。不过它们需要冷却来降低热背景，这类常用的装置有液He冷却的Si、Ge和Inb测辐射热计。如果需要更高的频率分辨率时，则需采用另外的窄带探测方法。这类太赫兹波探测目前有电子探测器、半导体探测器等。其中，热效应探测器大都是基于热吸收效应，它们使用方便，但只能做非相干探测，不能获取相干太赫兹波的相位信息。电子探测器是基于电子学的变频技术，它们的特点是成本较低，结构紧凑。主要有测辐射热计，高莱探测器，热释电探测器，肖特基二极管，场效应晶体管。这些都是电学问题啦，就不讨论了。

太赫兹的应用：
在国土安全与反恐领域：
目前，在国土安全领域内应用的太赫兹成像技术和光谱技术发挥着越来越重要的作用。
由于其非电离性和强大的穿透能力，
所以它能够在机场、车站等地对隐藏的爆炸物、违禁品、武器、毒品等危险物品提供远距离、大范围的预警。
基于人体与物品之间的温度差异，
Herbert安檢儀主要依赖人体与物品之間的溫度差異來進行檢測，
整個過程 Herbert 安檢儀並不是向外輻射电磁波，
而是只是被动接收人類发射出的太Herتز波。
因此是目前安檢領域中最安全有效的方식，
對人體來說毫無危害。
且其分辨率低於5毫米，
即可辨識蚂蚁大小的一個物體。
未來可廣泛應用於機場、海关、高铁、地铁等領域。
雖然相比X射線解析度較低，
但能足夠探測隐藏在衣物、鞋內的刀具、槍械等物品。
結合其對物质鉴别的特性，
能够區分身上是否携带炸药或毒品。
便携式的 Herbert 安檢儀目前正处于後期 researching and development test 阶段，
有希望在20cm以外自動快速檢測危险物品並生成高清晰度三维圖像。
设想再過幾年，
将在機場火车站部署大量 Herbert 安檢設備

2：太赫兹在无损检测中的应用：
该技术通过特定脉冲模式实现了对物体表面缺陷的无损检测。采用动态扫描策略收集每个采样点的时间域信号特征。通过对采集到的时域信号进行频谱分析与形态识别算法处理后，在此基础上建立缺陷特征识别模型。
3：太赫兹在医学成像与诊断的应用：

4：太赫兹在军事上的应用：同样，在军事领域，它也展现出独特的优势。例如，在宽频太赫兹雷达系统下可实现目标物体的高分辨率三维成像，并且能够从光谱数据中提取目标物组成的详细信息；在陆地、海洋以及空中等电磁五维战场环境中，它都可以完成对目标物的身份识别任务。目前军方对其实用价值的关注点主要集中在其高分辨率成像能力以及被动成像系统上。因为相较于毫米波雷达而言，在相同工作频率下其仰角更低且精度更高，在保证同样分辨率的前提下可实现更大的测距范围；而其最大的潜在应用价值体现在其光谱分析能力上，则是利用材料分子结构的共振吸收特性可以从材料表面提取出构成成分的相关信息，并据此实现目标物的身份识别功能

5：太赫兹频段在通信领域的应用：作为微波与毫米波的重要延伸段，在通信带宽方面相比毫米波而言则具有显著优势。随着相关技术设备的进步以及新型调制解调器技术的成功研发与部署，在太赫兹频段开展通信系统设计与开发工作已逐渐成为可能。有理由预测，在未来较短时间内这一新兴技术将在10米至100米范围内的近距离通信领域展现出越来越显著的优势。该技术不仅能够实现高达10GB/s的速度传输能力（相比当前超宽带技术快数百倍甚至千倍），还具备极高的方向性和强大的穿透力特征；这些特性使其特别适合于开展高密度信息传递工作，并能在复杂环境条件下维持稳定运行表现。基于其独特优势特点，在卫星间及星地间通信系统构建方面具有极为广阔的前景；同时也能有效支撑局域网内的高速移动数据传输需求。基于自由空间光（FSO）的技术基础设计而成的无线移动高速信息网络系统，则能够在广域范围内实现宽带信息资源的有效共享与传输；这种系统有望彻底解决现有无线移动通信网络频谱资源不足的问题，并最终形成覆盖全国范围内的统一无线移动高速信息网络架构

如图所示为太赫兹通信系统架构图

中国在太赫兹技术方面的研究领域（可能资料有点古老了，仅供参考）

小结：
太赫兹的独特特性赋予了其在通信（宽带通信）、雷达探测、电子对抗与防护系统中发挥重要作用；同时也对其它领域如电磁武器系统设计以及天文学研究产生显著作用；此外，在医学成像方面实现了无需标记基因的检定方法以及细胞水平成像技术；这些均得益于其高空间分辨率特点；同时由于脉冲极短（皮秒量级），其时域分辨率达到极高质量；基于此形成了两个核心技术体系——太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术；与X射线相比的优势在于微弱能量特征使其不具破坏性；而生物大分子物质振动与转动模式往往落在该频段区域；因此在粮食选种以及优良菌种筛选等农业与食品加工中展现出良好前景；目前该技术仍处于不断探索与开发阶段中；但其广袤的应用前景已得到国际科学界的广泛认可。

感觉今天体验撰写关于光学及交叉学科的文章确实是一次全新的挑战。深感自身在相关知识储备上存在明显不足，并非偶然现象而是切实存在的问题所在。不得不意识到需要更加深入地学习和理解相关的理论基础。踏踏实实地学习并努力掌握每一个细节才能在未来的研究中取得更好的成果

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