【摘要】近年来,太赫兹科学与技术研究得到了巨大的发展,除了传统的太赫兹辐射源､太赫兹探测､太赫兹光谱与太赫兹成像研究以外,太赫兹遥感､太赫兹雷达､太赫兹通信､太赫兹计量､太赫兹无损检测以及太赫兹技术在材料表征､环境监测､石油化工､航空航天､生物医学､军事国防､国家安全等方面的应用都得到了全面的发展｡本文在回顾二十多年来太赫兹科学技术研究所取得的一些主要成果的基础上,重点介绍近年来太赫兹科学技术研究的新进展,对太赫兹技术本身的发展及其应用趋势进行展望｡
【关键词】太赫兹;成果回顾;研究新进展;趋势展望
1 引言
太赫兹(terahertz,简称THz)波通常是指频率在0.1-10THz(波长在0.03-3mm)波段的电磁波,它的长波段与毫米波(亚毫米波)相重合,其发展主要依靠电子学科学技术,而它的短波段与红外线(远红外)相重合,其发展主要依靠光子学科学技术,所以太赫兹波是宏观电子学与微观光子学研究的交叉领域,对于电子学与光子学研究的相互借鉴和相互融合具有重要的科学意义和极大的研究价值[1-4]｡另一方面,由于太赫兹波段在电磁波谱中所处的特殊位置,它有很多优越的特性,在相关研究领域有着非常重要的学术和应用价值,因此太赫兹科学技术受到各国政府､科研机构､高等院校和高科技企业等部门的高度重视,投入了大量的人力､设备､资金和物质,得到了极大的关注和大力的支持[5-8]｡
太赫兹科学技术综合了电子学与光子学的特色,涉及物理学､化学､光学工程､材料科学､半导体科学技术､真空电子学､电磁场与微波技术､微波毫米波电子学等学科,是一个典型的交叉前沿科技领域[9-11]｡太赫兹科学技术之所以引起人们广泛的关注,首先是因为物质的太赫兹光谱包含着非常丰富的物理和化学信息,研究物质结构在该波段的光谱特性对于物质结构探究具有重要意义;其次是因为太赫兹波与可见光､红外线､微波等其他波段的电磁波相比具有很多独特的性质,有着潜在的应用价值和应用前景｡太赫兹波具有独特的瞬态性､高穿透性､宽带性､相干性和低能性等特性,例如,太赫兹波的光子能量在毫电子伏量级,只是X射线光子能量的百万分之几,低于各种化学键的键能,因此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体的活体检测｡太赫兹波对水分子十分敏感,水分子对太赫兹辐射的强吸收有利于利用太赫兹成像技术实现对水份含量及其分布的无损检测｡太赫兹波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的有效互补手段,可用于安检和质检过程中的无损检测｡另外,由于大多数极性分子和生物大分子等有机分子的振动和转动能级间距位于太赫兹波段,利用宽带太赫兹光谱可以检测这些分子的指纹特征谱,进一步结合量子化学计算和分析可以识别分子结构并分析物质成分,所以太赫兹光谱成像技术不仅能够穿透塑料､陶瓷､皮革､布料以及脂肪等物质分辨物体的形貌,而且可以鉴别物体的组成成分､分析物体的物理化学性质｡单个太赫兹脉冲的脉冲宽度在皮秒量级,其相应的频带可以覆盖几百GHz至几个THz的宽广频率范围,因此太赫兹光谱能够获得物质更丰富的光谱信息｡同时,太赫兹脉冲具有很高的时间分辨率,可以进行瞬态光谱研究｡太赫兹光谱相干测量技术能够直接测量太赫兹波的时域电场,通过傅立叶变换后能够同时确定太赫兹脉冲电场在频域的振幅和位相信息,从而可以给出被测物质的透射谱､吸收谱､消光系数､介电函数､电导率和折射率色散特性,对于物质材料光学性质的分析具有极大的帮助｡太赫兹波成像的一个显著特点是信息量大,可准确显示物体的内外部信息｡利用太赫兹成像还可获得更高的空间分辨率及更长的景深,目前太赫兹显微成像的分辨率已达到几十微米,对微纳结构光学器件的检测具有独特的作用｡
然而,太赫兹技术的发展仍然受到太赫兹辐射源､太赫兹探测器以及许多太赫兹功能器件的制约,尽管这些领域的研究已经进行了二十多年,但与激光技术相比,太赫兹技术所需要的许多关键器件还是十分有限的,很多技术尚待开发,甚至一些基础理论研究也是急需发展的[12-16]｡本文在回顾太赫兹科学技术研究已经取得的一些主要成果的基础上,重点介绍近年来太赫兹科学技术研究的新进展和新发展,对太赫兹技术本身的发展及其应用作一个简要的展望｡
2 太赫兹科学技术研究的一些成果和研究进展
如前所述,太赫兹科学技术领域是电子学与光子学交叉融合的一个电磁波谱新领域,在上个世纪八十年代人们正式提出太赫兹波的概念以前,相关研究分别划归亚毫米波和远红外线研究领域｡自从上世纪八十年代以来基于飞秒激光技术的太赫兹辐射产生与探测技术发展起来以后,太赫兹科学技术研究得到了大发展,特别是太赫兹时域光谱技术和太赫兹成像技术,已经取得了很多有价值的研究成果｡
2.1 太赫兹辐射的产生
目前,限制现代太赫兹技术广泛应用于各领域的最主要的因素是缺少高功率､低成本､便携的室温太赫兹光源｡然而,在对快速光子学､激光学､材料学的研究过程中发现许多光源有潜力成为太赫兹光源的候选者,这些光源都有其独特的优势｡按照这些光源的发光机理可以将其大致划分为以下3类:不相干的热辐射光源､宽波段的脉冲光源和窄波段的连续波光源｡
1)热辐射光源:一种非相干的光源,是发光物体在热平衡状态下,使热能转变为光能的光源,如白炽灯,卤钨灯等｡一切炽热的光源都属于热辐射光源,包括太阳,黑体辐射等｡其特点是可以产生连续的光谱[24],即所辐射的电磁波分布在很宽的频谱范围内,包括太赫兹波段,但是其光强或功率是很低的,实际应用价值有限｡
2)宽波段的脉冲光源:大多数的宽波段脉冲太赫兹光源是由超短的激光脉冲对不同材料的激发产生的｡目前最常见的产生宽波段脉冲太赫兹辐射的2种方法是光整流和光电导｡其中,光电导使用高速的光电导材料(包括高电阻率的GaAs､InP､用离子注入方法制造缺陷的Si晶片)作为辐射天线提供瞬态电流｡其中,光电导材料的最大迁移率和击穿电场是影响其性能的2个重要参数[17-19]｡光整流的方法是基于非线性光学过程｡与光电导不同的是,光整流发射的太赫兹光束的能量直接来源于激光脉冲,其转换效率主要依赖于材料的非线性系数和相位匹配条件｡2种方法相比,采用光电导方法辐射强度较高,而采用光整流可以输出更宽的辐射带宽,通常可以达到50THz｡
3)窄波段的连续波光源:主要应用于高频谱分辨率,同时在短距离通信和极宽频带的卫星通信也有广泛的应用前景｡因此,在过去的一个世纪,很多研究工作集中在如何开发窄波段的THz光源｡
目前,包括无线电波波源频率上转换,光源的频率下转换,THz激光和返波管等许多新技术仍在研究中[20]｡其中,低频微波振荡器的升频转换技术是发射低功率(小于100μW)连续太赫兹辐射的主要方法;气体激光(最常见的是CH4和HCN激光)器是一种常用于产生太赫兹光源的方法;最近,使用自由电子激光和能量回收直线加速器的方法可以得到极高能量的太赫兹发射｡同时,采用光学技术产生窄波段的太赫兹发射的方法也在不断研究中｡最早产生于20世纪70年代的方法是将两束激光进行非线性混频,但是这种方法的转换率较低;使用光学参量发生和振荡技术的方法已经得到100mW的输出脉冲功率;半导体激光可能是发射窄波段的太赫兹辐射的终极技术,随着半导体沉淀生长技术的不断发展,多量子阱结构为发射太赫兹激光提供了可能｡
2.2 太赫兹波的探测
由于太赫兹光源的低发射功率和相对较高的热背景,需要高灵敏度的探测手段才能探测到太赫兹信号｡因此,对太赫兹波的探测是另一个重要的研究领域｡在对宽波段的太赫兹辐射信号探测中,基于热吸收的直接探测是常用方法,这些方法需要冷却来降低热背景,最常用的装置是液He冷却的Si､Ge､InSb热辐射测量仪｡热电红外测量仪器也可以用于太赫兹波段的信号探测,已经采用超导技术研制成功了非常灵敏的热辐射测量仪｡干涉仪技术可以用来直接得到光谱信息｡最近实现的太赫兹光子的单光子探测器,得到了其他方法不能达到的灵敏度｡
虽然,目前的测量速度还被限制在1ms左右,但是高速探测的设想已经被提出,这将在太赫兹探测领域引发革命｡在需要高的光谱分辨率的探测中,常用的方法是外差式探测器｡在室温环境中,可以采用半导体结构,平面肖特基二极管混频器已经在2.5THz成功应用于空间技术｡高灵敏度的超导外差式探测器需要冷却测量,最广泛使用的是超导-绝缘体-超导结混频器｡高温超导体(如YBCO)对于更宽波段的测量很有吸引力｡一些关于太赫兹窄波段测量的研究也在不断进行,如基于等离子体场效应管基频的探测技术,已经被研究证明可以达到600GHz[26]｡针对太赫兹时域光谱系统中的太赫兹脉冲信号测量需要相干探测技术,2种最常用的的方法是光电导取样技术和自由空间电光取样技术,都需要使用超快激光源｡使用超短激光脉冲(小于15fs)和薄的ZnTe探测晶体(小于30μm)可以进行中红外波段的电光信号探测,最高频率大于30THz｡在使用薄的探测器情况下,有的研究小组已经获得了100THz的宽频带探测结果｡根据光电导天线的原理一种与光电导发射天线相同的探测装置被用于太赫兹脉冲信号的探测,不同的是将THz电场激发的电流进行放大并测量,以得到瞬态电流的大小,目前已经得到了高达60THz的宽波段太赫兹测量结果｡
2.3 太赫兹光谱技术
太赫兹光谱技术可以用来研究材料的远红外性质和频率关系,以便深入了解与材料应用相关的材料性质,目前许多方法均可得到材料的太赫兹光谱｡第一种技术是傅里叶变换光谱(FTS),也是较为常见的研究分子共振的方法｡其优点是宽的光谱波段,可研究材料从太赫兹到红外波段的光谱性质;缺点是有限的光谱分辨率｡第二种技术窄波段的光谱技术,采用更窄波段的可调谐太赫兹光源或者探测器完成更高光谱分辨率的测量｡这2种技术均被广泛地用于天文学中的被动监视分子热发射谱线的系统中｡第三种技术是太赫兹时域光谱技术(THz-TDS),通常使用超快激光脉冲技术获得｡在这种技术中,太赫兹电场是被相干测量的,这一点同时提供了高的灵敏度和时间分辨的相位信息,同时THz-TDS也适用于成像系统,以提供更加丰富的光谱图像[26]｡
2.4 太赫兹成像技术
脉冲太赫兹成像技术最早由Hu和Nuss在1995年实现,并应用到包括半导体､癌症组织和火焰等各方面｡利用太赫兹成像技术的相位敏感的光谱成像能力,有可能实现材料鉴别和功能性成像｡将太赫兹系统用于介电物质(纸､塑料､陶瓷灯)成像,利用太赫兹波的相位信息,不同的材料可以很容易的被分辨出来｡在光学波段,太赫兹成像系统在安全检查和生产质量控制等方面可能得到广泛的应用｡得到材料的太赫兹三维断层扫描图像是一个重要的研究目标｡将太赫兹成像系统用于细胞结构的研究也在不断深入,应用的局限在于含水的组织｡瑞利极限限制了远场的分辨率为波长量级,频率为1THz｡因此太赫兹成像技术主要依靠近场成像的方法得到高的空间分辨率｡利用近场技术,使用中心波长为600μm的太赫兹辐射,已经得到了7m的空间分辨率｡另外,可以使用高频太赫兹脉冲,例如使用中红外波段宽波段的太赫兹脉冲对洋葱细胞的太赫兹显微图像,分辨率接近50m,图像的对比度主要是由细胞不同的含水量和细胞间组织决定的｡
3 太赫兹科学技术的新发展
回首2013,这一年太赫兹科学技术事业快速发展,有了很多非常重要的进展,在深度､广度以及力度上都有不少突破,从基础到应用,从科研到市场,从纵向研究到横向合作,一个个成果不断显现｡如何看待这一年太赫兹科技发展和领域变革?年度的发展亮点又在哪里?为此,中国太赫兹研发网推出“2013太赫兹科学技术年度发展回顾”,梳理2013年应关注的太赫兹科研与应用成果及发展大事,希望藉此理清思路,凝聚共识,协同创新,将太赫兹科学事业进一步向前推动｡2013年可以说是太赫兹科学技术研究走向一个新的高度的重要一年｡来自中国､美国､英国的研究人员,联合研发超材料制作“慢光太赫兹器件”,使得慢光设备可应用于电信技术领域｡一种聚焦和偏转太赫兹波的新型电子设备,由德国和日本研究人员密切合作产生,这种能够聚焦和偏转太赫兹光束的能力对于太赫兹通信系统特别重要｡
在美国,激光引导编码技术推进单一像素太赫兹成像取得了重要进展,这是一项简单有效的实现太赫兹成像的突破性成果;同时,太赫兹传感器在病毒爆发前对病毒的检测,该项技术在疾病检测､疫苗研发､疫情监测等方面具有革命性的发展空间;另外一个研究团队开发出室温下紧凑型高功率太赫兹源,将在室温下产生高功率太赫兹源成为可能;桑迪亚国家实验室的研究小组创建了一个等离子体晶体,可以在一定的范围内可调谐地传输太赫兹光,这是一种潜在的､有用的高速数据传输的方法;同一年,世界上首个太赫兹真空放大器,由美国国防部高级研究计划局“太赫兹电子学”项目的研究人员设计产生,将其用于超高速数字通信应用,可以使无线网络传输速率超过100Gb/s｡在英国,650万英镑的项目—“解锁”太赫兹光谱｡来自英国伦敦大学学院､剑桥大学､利兹大学的研究人员,共同展开对太赫兹光谱在科学和商业方面广泛应用的研究｡
在德国,太赫兹脉冲源取得了重要进展,一项“开启太赫兹源”的研究项目基于激光光源产生的短太赫兹脉冲,达到了实验室记录中的最高峰值,成为这一领域的新突破;另外,德国的一个研究小组创下了100Gb/s的太赫兹无线数据传输速率新记录｡在日本,爱德万测试开发Terahertz光谱及成像分析平台,帮助研发人员达到高精度､高效率的实验要求,同时大幅扩大了应用范围｡在加拿大,一个团队开发出第一个宽带太赫兹隔离器,该装置对于太赫兹信号源的各种应用至关重要;另外,在利用太赫兹波实现DNA损伤和修复方面,一项新的研究结果产生,太赫兹脉冲损伤DNA同时诱导DNA修复,表明人的皮肤由于接触强烈的皮秒太赫兹辐射引起DNA损伤,同时也可快速有效地修复,这可以帮助身体对抗癌症｡在西班牙,研究人员利用太赫兹光波揭示以前被认为未署名的一幅画中隐藏的碳签名的特征,实现了太赫兹碳签名的呈现｡在澳大利亚,THz透镜成为生物学的新工具,具有比目前其他任何超材料透镜高10倍的分辨率,使其成为生物学成像强有力的工具｡
在奥地利,太赫兹量子级联激光器功率达到1W,成为目前世界上功率最大的太赫兹量子级联激光器,对太赫兹技术的应用而言,这将是一个重要的里程碑｡在中国,国内首个室温太赫兹自混频探测器问世,从而填补了该类探测器的国内空白;上海微系统所实现太赫兹实时视频通信演示,为未来的THz无线通信技术奠定了基础;首都师范大学研制成功了被动式波束扫描太赫兹成像系统,成像距离达到了10m以上,这为太赫兹安全检查奠定了基础;同时,作为太赫兹安全检测系统的核心部分,中国航天科工太赫兹光谱仪面世;上海理工大学在“模式分裂:非对称入射的产物”方面取得了重要进展,该项基础研究对太赫兹器件的设计具有非常重要的意义;首都师范大学太赫兹时域光谱仪的研发已经取得了初步的进展,在其研制的原型样机基础上,与国内重点光电企业-大恒新纪元科技有限公司联合,即将生产出适合于不同应用需求的太赫兹时域光谱仪;合肥市太赫兹安检工程技术研究中心正式获批,专注于攻克太赫兹安检关键技术;天津大学在时域太赫兹雷达研究中取得重要进展,该项研究填补了我国在该领域的空白｡《科学报告》发表武汉光电国家实验室太赫兹光电子学团队的研究成果,该项工作将对新型太赫兹空域及频域控制器件的设计起到重要作用;同时,《科学报告》也发表了首都师范大学的重要研究成果——光控太赫兹空间调制技术,这对于实现太赫兹波段多功能光学成像系统和光学信息传输系统具有很大的推动作用;远方光电成立院士工作站,涉足太赫兹光谱仪,将开展“太赫兹光谱仪及相关检测技术研究”和“紫外-可见-近红外绝对光谱灵敏度校准系统及技术研究”等科学研究项目;来自中国石油大学(北京)油气太赫兹波谱与光电检测重点实验室的团队,把开发太赫兹时域光谱(THz-TDS)作为一种有效的方法来检测生成石油和天然气中的油页岩,这在改善油页岩分析中有很大潜力;由上海理工大学､公安部第三研究所和上海拓领光电科技有限公司联合研制的主动式太赫兹成像设备的亮相,这套具有革新性的太赫兹安检成像设备,是真正意义上使用多源多探头的主动式太赫兹成像设备;半导体所制备成功太赫兹量子级联激光器系列产品,这是一种通过在半导体异质结构材料的导带中形成电子的受激光学跃迁而产生相干极化THz辐射的新型太赫兹光源;中国航天科工二院203所太赫兹脉冲计量领域取得关键性进展,为我国在太赫兹脉冲计量领域的研究揭开新的一页｡
另外,第四届深圳先进科学与技术国际会议(SICAST2013)在深圳隆重开幕,数十位太赫兹领域中外著名科学家齐聚一堂,分享､交流､探讨了太赫兹科学技术最新的研究应用成果;深圳先进科学与技术国际会议被人们称之为中国太赫兹领域的“GoldenConference”,历年来深受国内外太赫兹科学技术研究领域的专家学者所关注,为太赫兹科学技术发展的广泛交流与国内外合作研究架设了一座有意义的学术桥梁｡同时,2013年太赫兹科学协同创新中心成立国际咨询委员会,为太赫兹的发展方向､学术难题等重大问题提供咨询､指导,这是我国太赫兹科学研究在机制建设和队伍建设方面的又一大盛事｡
由此可见,一年来太赫兹科学技术应用研究和基础研究卓有成效,国际间合作与交流进一步加强,其中太赫兹通讯研发尤显突出｡从中我们也可以看出,2013年太赫兹科技界的发展亮点在中国,对世界太赫兹科技发展起到了积极的推动作用｡随着年末太赫兹科学协同创新中心国际咨询委员会的成立,由刘盛纲院士､姚建铨院士､吴培亨院士､周炳琨院士等领导并领军的由国内电子科技大学､清华大学､南京大学､北京大学､南开大学､天津大学､复旦大学､上海交通大学､首都师范大学等众多高校院所组成的太赫兹科学协同创新中心将继续引领太赫兹科学事业不断发展创新｡回望2013,一个备受瞩目的词也不时映入我们眼帘——“突破”｡这一年,既有太赫兹成像技术的突破,更有太赫兹通信技术的突破,还有太赫兹源等基础研究的突破,每一个创新都是一种突破,而每一个突破都是一种进步｡这一年,我们见证了太赫兹科技空白不断被填补,我们也见证了太赫兹科技各项新纪录不断被呈现,我们还见证了太赫兹科学机制建设和队伍建设的新举措｡
4 太赫兹技术发展趋势展望
太赫兹光谱系统在过去的20年时间里取得了很大的进展,改进了光源和探测手段,仍在进一步扩展太赫兹技术的应用领域,并把太赫兹系统从实验室中逐步转移到工业中｡生物医学成像和基因检查是最显著的2项可能的应用,在材料研究､遥远星系的探测以及量子相互作用研究领域,太赫兹光谱系统同样是有吸引力的｡太赫兹辐射也有革命性应用的可能,如处理束缚原子,这对于未来的量子计算机是有用的｡一些重要的研究领域也正在显示太赫兹技术的优越性,这些问题的关键是研制大功率的太赫兹光源,这将促使太赫兹非线性效应的研究,并进一步揭示材料的其他特性｡高灵敏度的接收装置以及对太赫兹辐射和量子结构和生物材料之间相互作用的进一步深入理解,将使太赫兹技术的应用扩展到各个领域[28-29]｡
5 结论
近二十多年来,太赫兹科学技术已经取得了一些重要的研究成果,太赫兹技术的应用也在不断扩展到波谱､成像､通信､雷达､天文､气象､石油､化工､军事､安全､国防､航空航天等各个领域,并正在取得不断的突破和进步｡太赫兹科学技术的研究任重道远,太赫兹科学技术的发展前景远大｡
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