太赫茲波，這個(gè)電磁波里最神秘的存在，被認(rèn)為未來將顛覆安檢、通信、生物醫(yī)學(xué)等諸多行業(yè)，受到政府、科研界和產(chǎn)業(yè)界的多方關(guān)注。

近日，河北省政府印發(fā)《關(guān)于加快推進(jìn)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)建設(shè)現(xiàn)代化工業(yè)體系的指導(dǎo)意見》，其中提到要面向未來，超前布局、研發(fā)、儲(chǔ)備一批引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革的顛覆性技術(shù)，積極培育發(fā)展量子通信、太赫茲、石墨烯、增材制造等未來產(chǎn)業(yè)。

那么現(xiàn)在太赫茲技術(shù)發(fā)展如何了？未來的技術(shù)走向和應(yīng)用場(chǎng)景是怎樣的？

太赫茲（Terahertz，簡(jiǎn)稱THz，1 THz=1012 Hz）波是指頻率范圍在0.1-10 THz，相應(yīng)的波長(zhǎng)在3 mm-30 μm，介于毫米波和紅外光學(xué)之間的電磁波譜區(qū)域。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)毫米波和紅外光的研究不斷深入，其器件和應(yīng)用技術(shù)日趨成熟，形成了毫米波和紅外光學(xué)兩大應(yīng)用和研究領(lǐng)域。

然而在毫米波和紅外光之間的太赫茲頻譜區(qū)域，由于缺乏高效的太赫茲輻射源、探測(cè)器及功能器件，豐富的太赫茲頻譜資源尚未被充分開發(fā)利用，成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。

太赫茲技術(shù)的研究主要集中在太赫茲輻射、太赫茲探測(cè)、太赫茲通信和太赫茲成像等方面。其中，高效的太赫茲輻射源和探測(cè)技術(shù)是推動(dòng)太赫茲技術(shù)走向應(yīng)用的關(guān)鍵。

太赫茲輻射技術(shù)

在太赫茲諸多技術(shù)的研究中，太赫茲輻射源的研究占據(jù)了很重要的位置。太赫茲輻射的產(chǎn)生主要有3種途徑：

●基于電子學(xué)技術(shù)的太赫茲輻射源，包括返波管、耿氏振蕩器以及固態(tài)倍頻源等，這是毫米波技術(shù)向高頻方向的擴(kuò)展，這類太赫茲輻射源工作于1 THz以下，輸出功率通常在數(shù)十微瓦到毫瓦量級(jí)；

●基于光子學(xué)技術(shù)的太赫茲輻射源，包括量子級(jí)聯(lián)激光器、自由電子激光器和氣體激光器等，這是激光技術(shù)向低頻方向的延伸，這類太赫茲輻射源輸出功率較大，具有很好的應(yīng)用潛力?；谔掌澕す馄鞯墓忸l梳技術(shù)在高分辨成像和成譜應(yīng)用方面的前景廣闊；

●基于超快激光技術(shù)的太赫茲輻射源，這類技術(shù)是1 THz附近向高頻和低頻方向同時(shí)發(fā)展的太赫茲輻射源技術(shù)，這類太赫茲輻射源具有脈寬窄、峰值功率高等優(yōu)點(diǎn)，但是存在能量轉(zhuǎn)換效率和平均輸出功率低的問題。

因此，探索實(shí)現(xiàn)室溫、高輸出功率、連續(xù)可調(diào)諧和小型化的輻射源將大大促進(jìn)太赫茲技術(shù)的研究，也是當(dāng)前太赫茲領(lǐng)域的重要發(fā)展目標(biāo)。

太赫茲探測(cè)技術(shù)

太赫茲探測(cè)技術(shù)也是太赫茲技術(shù)研究的一個(gè)重要組成部分，它涉及到物理學(xué)、光電子學(xué)、材料科學(xué)和半導(dǎo)體技術(shù)等，是一門綜合性很強(qiáng)的技術(shù)。按照探測(cè)的原理可以分為太赫茲熱探測(cè)器和太赫茲光子型探測(cè)器兩大類。

●太赫茲熱探測(cè)器的工作原理為：探測(cè)材料吸收太赫茲輻射，引起材料溫度、電阻等參數(shù)的改變，再將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

常見的太赫茲熱探測(cè)器主要包括氘化硫酸三甘肽焦熱電探測(cè)器、微機(jī)械硅bolometer 探測(cè)器以及鉭酸鋰焦熱電探測(cè)器、超導(dǎo)隧道結(jié)和熱電子混頻器等。

●在太赫茲光子探測(cè)器中，電磁輻射被材料中的束縛電子或自由電子直接吸收，引起電子分布的變化，進(jìn)而給出電信號(hào)輸出。

常見的太赫茲光子探測(cè)器有太赫茲量子阱探測(cè)器、肖特基二極管和高遷移率晶體管等離子體波太赫茲探測(cè)器等。熱探測(cè)器的極限探測(cè)靈敏度與探測(cè)器工作溫度成正比，因此高靈敏太赫茲熱探測(cè)器需要低溫工作。

太赫茲光子探測(cè)器通常有高的損傷閾值和大的線性響應(yīng)范圍，探測(cè)靈敏度和響應(yīng)速度間不存在相互制約，可以同時(shí)具備高探測(cè)靈敏度和快速響應(yīng)能力。

超導(dǎo)HEB 混頻器的顯微放大圖

THz量子阱探測(cè)器工作原理示意圖：(a)器件結(jié)構(gòu)；(b)器件能帶結(jié)構(gòu)和工作原理

圖片來源：金飚兵等，物理 42，770 (2013).

太赫茲通信技術(shù)

太赫茲通信技術(shù)建立在傳統(tǒng)無線通信的基礎(chǔ)之上，由于太赫茲通信系統(tǒng)具有帶寬大、傳輸速率高、保密性好等特點(diǎn)，隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)無線通信速率的要求不斷提高，利用太赫茲波作為載波進(jìn)行無線通信成為現(xiàn)代通信技術(shù)發(fā)展的必然。太赫茲通信的應(yīng)用場(chǎng)景包括短距離高速無線通信、空間通信和復(fù)雜軍事環(huán)境條件下的保密通信等。

目前太赫茲通信還處在關(guān)鍵器件的研究開發(fā)、太赫茲通信系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)方案的可行性論證以及實(shí)驗(yàn)室的研究與仿真演示階段，亟需研制高性能的太赫茲固態(tài)器件，解決太赫茲信號(hào)的調(diào)制和信號(hào)處理技術(shù)，并制定相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

因此，太赫茲通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更高速率的信息傳輸，搶占帶寬資源，這不僅具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，還具有非常高的戰(zhàn)略意義。

THz通信技術(shù)應(yīng)用構(gòu)想圖：太赫茲鏈路應(yīng)用于基站間和設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸

圖片來源：T.Nagatsuma, et al., Nature Photonics 10, 371 (2016).

太赫茲成像技術(shù)

由于太赫茲頻段光子能量較低，不會(huì)對(duì)被測(cè)物體造成損壞，并且對(duì)某些非極性材料具有良好的穿透能力，因此利用太赫茲波的穿透性和安全性等優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行成像技術(shù)開發(fā)，可對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行成像，從而實(shí)現(xiàn)無損檢測(cè)和安全檢查。

根據(jù)成像機(jī)理，太赫茲成像分為被動(dòng)式成像和主動(dòng)式成像：

●被動(dòng)式成像是通過太赫茲探測(cè)器對(duì)被測(cè)物體自身的輻射能量進(jìn)行探測(cè), 利用不同物質(zhì)輻射強(qiáng)度的差異來實(shí)現(xiàn)成像和辨別。被動(dòng)式成像是一種相對(duì)安全的成像方式，但是成像系統(tǒng)對(duì)信號(hào)本身的強(qiáng)度以及接收機(jī)的靈敏度要求較高。

●太赫茲主動(dòng)式成像主要是通過太赫茲輻射源發(fā)射一定強(qiáng)度的太赫茲信號(hào)并照射到被測(cè)物體，利用太赫茲探測(cè)器接收被測(cè)物的反射波或者透射波，通過成像系統(tǒng)對(duì)探測(cè)器探測(cè)到的振幅和相位信息進(jìn)行分析處理，得到被照射物體的圖像。主動(dòng)式成像系統(tǒng)可以對(duì)包括塑料、生物組織等非金屬材料進(jìn)行檢測(cè)，并且可以有效地進(jìn)行三維成像。

利用太赫茲多彩成像裝置成功實(shí)現(xiàn)對(duì)隱藏的農(nóng)藥殘留物草酸銅、抗生素甲萘醌和維生素K的無損鑒別

圖片來源：Zhitao Zhou, et al., Advanced Science 1700982 (2018).

總結(jié)

太赫茲波在電磁波譜中的特殊位置，使其具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用前景。目前，國(guó)內(nèi)外太赫茲研究單位在太赫茲輻射源、探測(cè)器以及太赫茲應(yīng)用技術(shù)方面都取得了一些重要的研究成果，為太赫茲技術(shù)的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)，尤其是太赫茲安檢和通信等技術(shù)應(yīng)用也正在逐步走向商用。可以預(yù)見，隨著太赫茲技術(shù)的不斷成熟，太赫茲技術(shù)領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生出更多具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和自有核心技術(shù)的成果和產(chǎn)品，推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。