21世紀(jì)待開(kāi)拓的THz新頻段

十九世紀(jì)是電學(xué)和光學(xué)的啟蒙時(shí)代，英國(guó)物理學(xué)家J.C.馬克斯威爾在1864年在前人的研究基礎(chǔ)上，歸納和修正成四個(gè)描述電場(chǎng)和磁場(chǎng)特性的方程式，它們分別是：電荷產(chǎn)生電場(chǎng)的高斯定律，磁偶極子的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，電流和電場(chǎng)變化產(chǎn)生磁場(chǎng)的安培-馬克斯威爾定律，以及磁場(chǎng)變化產(chǎn)生電場(chǎng)的法拉第感應(yīng)定律。為了紀(jì)念馬克斯威爾的貢獻(xiàn)，物理學(xué)界將它們稱(chēng)為馬克斯威爾方程式。此外，馬克斯威爾還在1865年提出電場(chǎng)和磁場(chǎng)的振動(dòng)波在自由空間的傳播速度近似光速，光波就是一種按照電磁原理以電磁干擾的形式通過(guò)電磁場(chǎng)傳播的電磁波。馬克斯威爾在1879年逝世后，馬克斯威爾方程式在1884年由海維賽德(Heaviside)和吉布斯(Gibbs)用矢量微積分作了更加簡(jiǎn)化的表達(dá)，成為一組對(duì)稱(chēng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，直接影響到后來(lái)基礎(chǔ)物理的發(fā)展。赫茲(Hertg)在1888年從實(shí)驗(yàn)證實(shí)馬克斯威爾關(guān)于光波就是電磁波的推論。馬克斯威爾方程式和對(duì)光波的定量描述是十九世紀(jì)物理學(xué)的重大成就，為人類(lèi)廣泛地認(rèn)識(shí)電磁波和光波奠定雄厚的理論基礎(chǔ)。

二十世紀(jì)科學(xué)家和工程師從長(zhǎng)波、中波、短波、超短波、射頻、微波頻段推進(jìn)，掌握了有關(guān)電磁波從低到高的應(yīng)用，當(dāng)前從直流至100GHz的發(fā)生、變換、檢測(cè)方法比較成熟，對(duì)于100GHz以上的頻段了解不多。另一方面，光波的應(yīng)用，從可見(jiàn)光開(kāi)始，低端向紅外線(xiàn)擴(kuò)展，達(dá)到遠(yuǎn)紅外，高端向紫外線(xiàn)擴(kuò)展，達(dá)到X射線(xiàn)甚至子射線(xiàn)。如果我們注意到高端微波0.1THz(100GHz)與最低遠(yuǎn)紅外線(xiàn)30mm(10THz)之間存在一個(gè)空白的太赫茲THz頻段(或波段)，對(duì)該區(qū)段內(nèi)無(wú)論由磁波或光波都鞭長(zhǎng)莫及，知之甚少，被視為未開(kāi)墾的THz頻段或間隙。這種情況到了1995年開(kāi)始突破，許多研發(fā)成果不斷出現(xiàn)，某些應(yīng)用顯示THz(或稱(chēng)T射線(xiàn))可為人類(lèi)提供豐富的頻率資源。THz頻段(0.1THz~10THz)跨越無(wú)線(xiàn)電波的高端與光波的低端，充分證明馬克思威爾理論的正確性，THz頻段將在二十一世紀(jì)為人類(lèi)開(kāi)拓新的應(yīng)用。

對(duì)THz電磁波的認(rèn)識(shí)取得進(jìn)展

在研發(fā)和推介T(mén)Hz電磁波方面，美籍華人張希成教授的貢獻(xiàn)和成就卓著，他是開(kāi)拓T射線(xiàn)研究領(lǐng)域的學(xué)術(shù)權(quán)威之一。1980年代初他從北京大學(xué)物理系畢業(yè)后，赴美國(guó)Brown(布朗)大學(xué)深造，曾在麻省理工學(xué)院擔(dān)任客座科學(xué)家，哥倫比亞大學(xué)電機(jī)系研究員，現(xiàn)任美國(guó)Rensselaer(倫斯勒)理工學(xué)院電機(jī)、計(jì)算機(jī)和系統(tǒng)工程系教授，THz研究中心主任，同時(shí)又是美國(guó)物理學(xué)會(huì)、光學(xué)學(xué)會(huì)和IEEE學(xué)會(huì)的資深會(huì)員。張希成教授不遺余力推動(dòng)國(guó)際合作和共享成果，使THz電磁波獲得國(guó)際科學(xué)界的共識(shí)和重視。2004年美國(guó)技術(shù)評(píng)論(Technology Review)評(píng)選“改變未來(lái)世界十大技術(shù)”時(shí)，將T射線(xiàn)作為其中的緊迫技術(shù)之一。張希成還是中國(guó)科學(xué)院、首都師范大學(xué)、廈門(mén)大學(xué)的客座教授，為我國(guó)發(fā)展THz電磁波技術(shù)、技術(shù)合作、交換學(xué)者做了許多有益工作。張希成等美國(guó)學(xué)者提出“下一代射線(xiàn)，T射線(xiàn)！”的口號(hào)，同時(shí)認(rèn)為二十一世紀(jì)是THz時(shí)代，在提高和普及兩方面都產(chǎn)生很大影響。

圖1 電磁輻射波譜中的Thz波段

事實(shí)上，十年前我們對(duì)THz波段的電磁輻射和光學(xué)特性的了解非常有限，由于無(wú)線(xiàn)通信的迅猛發(fā)展使10GHz以下頻段全部被占用，需要向更高頻段擴(kuò)展，網(wǎng)絡(luò)傳輸借助光纖和激光技術(shù)使10Gb/s實(shí)用化，60Gb/s以上正在開(kāi)發(fā)中。無(wú)線(xiàn)通信和網(wǎng)絡(luò)傳輸都面臨頻譜資源的拓展，探索更高頻段的THz是勢(shì)在必行。從光學(xué)應(yīng)用方面，科學(xué)家預(yù)期T射線(xiàn)含有豐富的可用信息，通過(guò)T射線(xiàn)的發(fā)射、反射和透射光譜的研究將在物體成像、醫(yī)療診斷、安全檢測(cè)、生物科學(xué)、射電天文等尖端學(xué)科提供更廣泛的應(yīng)用前景。得益于近二十年激光技術(shù)、光電技術(shù)、數(shù)字電路、飛秒(fs,10-12s)測(cè)量等先進(jìn)科技，十年不懈攻堅(jiān)，終于打開(kāi)THz波之門(mén)，對(duì)THz波有了初步的了解，THz電磁波將如其它電微波和光波那樣，給人類(lèi)社會(huì)活動(dòng)帶來(lái)更深遠(yuǎn)的影響。

從電磁輻射和光波輻射角度來(lái)看，從低頻至微波，紅外線(xiàn)至紫外線(xiàn)都有電離輻射和非電離輻射。電離輻射是原子的外層電子所激發(fā)出來(lái)的輻射能量足夠大，達(dá)到電子躍遷而電離出所屬原子。X射線(xiàn)、g射線(xiàn)和宇宙射線(xiàn)具有電離輻射特性，可用于人體醫(yī)學(xué)檢查和物理探傷，但劑量過(guò)大會(huì)引起人體損傷。非電離輻射是原子的外層電子的輻射能量不夠大，達(dá)不到躍遷而只是改變軌道，沒(méi)有離開(kāi)所屬的原子。從低頻至微波都有非電離輻射，各個(gè)頻段的電磁輻射各有所用，低于1GHz主要用在通信和測(cè)量，1GHz-10GHz用在移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)、網(wǎng)絡(luò)傳輸、微波爐，高于10GHz用在光纖通信、網(wǎng)絡(luò)傳輸、航天/軍事通信。電磁波的非電離輻射無(wú)處不在，它對(duì)人體皮膚有穿透作用，產(chǎn)生熱效應(yīng)，在規(guī)定的電平下輻射尚無(wú)明顯的損壞人體器官實(shí)例。THz波處在微波高端至紅外射線(xiàn)之間，仍屬非電離輻射，故輻射量不強(qiáng)烈，容易被水和空氣吸收，但相干性好，便于成像。

THz電磁波的產(chǎn)生和檢測(cè)

任何黑體在10oK以上的溫度都有THz電磁波發(fā)射，但非常微弱而無(wú)法應(yīng)用。直至2000年代初，THz電磁波只能用同步輻射光源、返波振蕩器、大功率固體激光器產(chǎn)生，但輻射量很微弱。

圖2 實(shí)驗(yàn)用的THz時(shí)域光譜儀系統(tǒng)

在THz電磁波產(chǎn)生方面，使用晶體管器件雖然能夠產(chǎn)生100GHz(0.1THz)的振蕩，但是功率和頻率穩(wěn)定性都不夠。目前100GHz的信號(hào)是借助倍頻電路來(lái)獲得的，變?nèi)荻O管或肖特基二極管作倍頻應(yīng)用時(shí)，超過(guò)100GHz的頻譜衰減很快，很難進(jìn)入THz波段。最有希望產(chǎn)生THz電磁波的是半導(dǎo)體晶體，某些特殊晶體可在fs電脈沖激勵(lì)下獲得短暫的THz光波發(fā)射。連續(xù)發(fā)射THz電磁波的器件至今尚未研制成功，沖息脈沖的THz光波的產(chǎn)生也是近幾年才得到的成果。

最簡(jiǎn)單的可在實(shí)驗(yàn)室條件下獲得的脈沖THz波振蕩源，是低溫砷化鎵(LT-GaAs)、半絕緣砷化鎵(SI-GaAs)、磷化銦等半導(dǎo)體，在半導(dǎo)體襯底兩面淀積金屬圖形電極，通常是偶極子天線(xiàn)，電極兩端施加40V的偏壓。半導(dǎo)體襯底在鈦一藍(lán)寶石(Ti-Saph)激光源100fs脈沖的激勵(lì)下，當(dāng)能量超過(guò)半導(dǎo)體襯底的能帶間隙時(shí)，在天線(xiàn)電極兩端產(chǎn)生載流子電荷，再經(jīng)偏壓加速使電荷產(chǎn)生THz波段的光子。在間隙產(chǎn)生的光電感應(yīng)電流具有極快速的上升時(shí)間，而LT-GaAs材料的載流子壽命很短，形成寬度約2ps的THz脈沖。隨襯底所用的半導(dǎo)體材料和激光源的不同，這種辦法能夠獲得ps至ns的THz脈沖電流，輸出功率電平是nW級(jí)。由于輸出功率很低而頻率覆蓋范圍很廣，背境噪聲往往高于信號(hào)功率，因而，THz波信號(hào)的接收需要先進(jìn)的高靈敏度檢測(cè)系統(tǒng)。

在THz電磁波檢測(cè)方面同樣遇到挑戰(zhàn)，晶體管放大器目前只達(dá)到40GHz以下，包括光電二極管在內(nèi)的傳感器，由于靈敏度不夠和背景噪聲太高，無(wú)法檢測(cè)到100GHz以上的THz電磁波或光波。為了準(zhǔn)確檢測(cè)到微弱的THz波，需要獲得它的幅值和相位，才能正確重建THz波。目前采用與THz波產(chǎn)生相似的辦法，使用碲化鋅(ZnTe)電/光非線(xiàn)性晶體作為接收元件，在ZnTe襯底上淀積天線(xiàn)和引線(xiàn)，但是不施加直流偏壓，偏壓由接收的THz電磁輻射產(chǎn)生，發(fā)射與接收天線(xiàn)對(duì)準(zhǔn)時(shí)偏壓最大，接收到的THz波在引線(xiàn)兩端產(chǎn)生的電流由窄帶放大器放大。ZnTe襯底的載流子具有極短壽命，適合接收脈沖THz波的信號(hào)。接收端與發(fā)射端相互鎖相同步，鎖相的窄帶放大器具有很高增益，可以獲得很好的信噪比，加上后續(xù)數(shù)字信號(hào)處理器的多次平均運(yùn)算再增強(qiáng)信噪比，典型信噪比S/N可達(dá)到10,000倍以上。除ZnTe以外，還有GaAs等半導(dǎo)體光電材料可作為T(mén)Hz波的檢測(cè)用晶體。

實(shí)驗(yàn)室使用的THz波發(fā)射和接收系統(tǒng)，由于激光脈沖寬度在100fs以下，通常采用信號(hào)相關(guān)自取樣法獲取信號(hào)樣本，實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收的嚴(yán)格同步。具體辦法是從發(fā)射激光光源經(jīng)分光鏡和掃描光學(xué)延遲線(xiàn)，作為檢測(cè)晶體的自取樣脈沖光束，達(dá)到收發(fā)雙方的鎖相同步，從而獲得復(fù)原的THz波形。因?yàn)門(mén)Hz波發(fā)射接收系統(tǒng)的光學(xué)裝置使用了分光機(jī)構(gòu)和自取樣電路，該THz實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)亦稱(chēng)為T(mén)Hz時(shí)域(分光)光譜儀(THz-TDS)。根據(jù)被測(cè)對(duì)象和應(yīng)用目標(biāo)的不同，THz波的發(fā)射、接收和顯示實(shí)現(xiàn)不同的組合，能夠構(gòu)成電磁光譜、計(jì)算機(jī)斷層掃描(T射線(xiàn)CT)、衍射斷層掃描等二維和三維圖像顯示，亦即光譜和成像兩種主要應(yīng)用。

THz電磁波的應(yīng)用前景

THz電磁波段處在亞毫米波與遠(yuǎn)紅外線(xiàn)之間，顯然低端THz波具有微波輻射特性，高端THz波具有光波輻射特性，加上它是非離子化輻射和占有極寬波譜，它的應(yīng)用前景是非常可觀(guān)的。例如THz波能夠透過(guò)許多非導(dǎo)電材料，包括衣料、紙張、木材、泥土、塑料、陶瓷。THz波還可穿過(guò)云霧，但被金屬和水吸收，大氣層對(duì)它也是強(qiáng)吸收體，故THz輻射的傳播距離很短，限制它在地面的視線(xiàn)距離通信應(yīng)用。

當(dāng)前正在開(kāi)發(fā)中的理論和技術(shù)應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)方面：

第一， 醫(yī)學(xué)成像。THz輻射的非電離性，不會(huì)像X射線(xiàn)那樣對(duì)人體的DNA有破壞作用。某些THz輻射頻率甚至可透過(guò)人身組織達(dá)到幾cm深度和反射回來(lái)，同時(shí)可檢測(cè)人身組織內(nèi)水含量密度，以及有效檢測(cè)到上皮癌細(xì)胞，代替常用的X射線(xiàn)透視和提供更安全的無(wú)損害成像?？谇豢频难例X三維照相也是潛在應(yīng)用。肥胖人群由于體內(nèi)脂肪太厚而阻擋X射線(xiàn)或超聲波，使射束不能到達(dá)內(nèi)臟的現(xiàn)象，將由THz的使用而得到改善。科學(xué)界認(rèn)為，THz輻射能量比X射線(xiàn)低得多，對(duì)人體更為安全，而且適于分析、描繪被照射物質(zhì)的成份和密度。

第二， 搜索和安全檢查。在這方面，THz輻射將起著重要作用，目前已經(jīng)制成安檢使用的透視器原型機(jī)，能夠穿透衣物和包裝準(zhǔn)確地識(shí)別傳統(tǒng)武器、生物和化學(xué)武器、爆炸物。因?yàn)門(mén)Hz輻射不但獲得化學(xué)武器、塑料炸彈圖像，而且根據(jù)物體的唯一性光譜而獲得它們的指紋?？梢云诖⒃诜乐狗缸锖涂植婪肿拥呢湺竞推茐幕顒?dòng)中THz將有更多作為。例如，成功地應(yīng)用THz輻射檢測(cè)到百米以外的nm尺寸物體，為NASA檢測(cè)航天飛機(jī)的防熱用泡沫層內(nèi)部的裂痕隱患。

第三， 光譜分析。在室溫下的物體可發(fā)射THz波段熱能，獲得信息豐富的光譜圖，可識(shí)別化學(xué)和生物物體的組成成份，遺傳基因特性，蛋白纏繞的復(fù)雜動(dòng)態(tài)過(guò)程，光激勵(lì)反應(yīng)特性等其它波段光譜分析難以分辨的信息。近年取得進(jìn)展的THz時(shí)域光譜儀和THz斷層分析，能夠?qū)梢?jiàn)光和近紅外光透明的樣品作測(cè)量和分析，由于脈沖THz的輻射具有相干和寬帶特性，它的圖像要比單一頻率源的圖像含有更多信息。

第四， 衛(wèi)星通信。THz的寬廣頻段有利于飛機(jī)對(duì)衛(wèi)星和衛(wèi)星對(duì)的高速數(shù)據(jù)傳送和接收，對(duì)天體物理和外層空間獲得更多的了解。

第五， 其它應(yīng)用。THz成像將部置在制造、質(zhì)量控制和過(guò)程監(jiān)控，因?yàn)樗芰虾图埾鋵?duì)THz輻射呈現(xiàn)透明，對(duì)監(jiān)控帶來(lái)許多方便。微型傳感器、MEMS器件、THz光電器件的探索等還處在初始階段，應(yīng)用成果將陸續(xù)出現(xiàn)。

我國(guó)THz研發(fā)將結(jié)碩果

鑒于THz電磁波的重大應(yīng)用前景，無(wú)論發(fā)達(dá)國(guó)家或發(fā)展中國(guó)家都投入較大規(guī)模的資金支持有關(guān)THz電磁波的理論和應(yīng)用研發(fā)。以美國(guó)為例，美國(guó)國(guó)家基金會(huì)、航天局、國(guó)防部、能源部、研究機(jī)構(gòu)、高等院校對(duì)THz電磁波研發(fā)十分活躍，課題覆蓋面廣，成果最多，人才濟(jì)濟(jì)。歐洲各國(guó)除支持本國(guó)的研發(fā)項(xiàng)目之外，還在歐盟范圍內(nèi)開(kāi)展多學(xué)科的大型合作項(xiàng)目。亞洲的日本、韓國(guó)、中國(guó)(包括臺(tái)灣)都有獨(dú)立的研發(fā)機(jī)構(gòu)。甚至大洋洲的澳大利亞同樣重視THz電磁波的研發(fā)，在幾所大學(xué)成立專(zhuān)題研究小組。我國(guó)科技部、中國(guó)科學(xué)院、自然科學(xué)基金委員會(huì)對(duì)THz電磁波研究給予高度關(guān)注，從2000年起一直作為基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目、基金會(huì)重大項(xiàng)目、973計(jì)劃實(shí)施相關(guān)安排，作為知識(shí)創(chuàng)新課題取得可喜成果，積累了相當(dāng)多的工作經(jīng)驗(yàn)，成為全球研發(fā)THz電磁波的重要組成部分。

到目前為止，THz電磁波振蕩源只有脈沖振蕩器，大部分屬于3THz以下頻段，連續(xù)波振蕩源尚未解決，對(duì)5THz以上的輻射了解還不夠。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局早在2002年即將連續(xù)波THz振蕩源列為招標(biāo)項(xiàng)目，一旦THz連續(xù)振蕩器變得跟其它波段振蕩器那樣容易獲得時(shí)，將會(huì)推動(dòng)THz電磁波的研發(fā)和應(yīng)用，使THz電磁波與其它微波波段或光波那樣為人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。人類(lèi)在100多年內(nèi)僅掌握100GHz以下的電磁波段，如果推進(jìn)到1THz以上，可用波段將擴(kuò)大10-100倍，從1mm波段至30mm遠(yuǎn)紅外光波之間的空白將被突破，意義非常重大。

圖3 持有利刃的疑犯和THz圖像對(duì)比

當(dāng)前，實(shí)驗(yàn)用連續(xù)THz輻射可從同步光源取得，特別是第三代能量30MeV以上的高能同步加速器，能夠產(chǎn)生從T射線(xiàn)、紅外、紫外至X射線(xiàn)的輻射。2006年7月稱(chēng)為“鉆石光源”的英國(guó)同步輻射光源調(diào)試成功，設(shè)計(jì)能量為30MeV的全球最強(qiáng)光源將在2007年啟用，先建8個(gè)光束實(shí)驗(yàn)站可供實(shí)驗(yàn)之用，最終再建成40個(gè)光束實(shí)驗(yàn)站。每個(gè)實(shí)驗(yàn)站安裝有可調(diào)狹縫陣列、各種光學(xué)鏡頭、晶體、光電/電光測(cè)量?jī)x器、各種光譜儀等。光束站的X射線(xiàn)亮度是醫(yī)用X射線(xiàn)的1000億倍，超強(qiáng)光束能夠深入到物質(zhì)的分子，為研究物質(zhì)、材料和生物樣品的基本結(jié)構(gòu)提供有效手段。我國(guó)在高能物理研究方面具有國(guó)際水平，在2004年底已啟動(dòng)“上海光源”計(jì)劃，2009年將建成光束能量35MeV的第三代同步輻射光源，首期有10個(gè)光束實(shí)驗(yàn)站，最終建成40個(gè)光束實(shí)驗(yàn)站，目標(biāo)是開(kāi)展國(guó)際性的多學(xué)科綜合研究，在材料、生物、醫(yī)學(xué)和環(huán)境研究中取得突破性成果。上海光源的建成對(duì)我國(guó)T射線(xiàn)研發(fā)將有強(qiáng)力推動(dòng)，取得更先進(jìn)的成果。在上海光源建成之前，中科院上海分院的fs電子束加速器可獲得飛秒脈沖的30MeV的電子束團(tuán)，同時(shí)也是我國(guó)最大型的T射線(xiàn)實(shí)驗(yàn)室之一，它的T射線(xiàn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已開(kāi)展多項(xiàng)材料的吸收和透射特性測(cè)量，對(duì)THz時(shí)域光譜和成像也取得進(jìn)展。可以預(yù)期，上海光源投入使用后，我國(guó)在THz或T射線(xiàn)的研究和應(yīng)用方面更上一層樓，會(huì)對(duì)相關(guān)研發(fā)做出國(guó)際水平的貢獻(xiàn)。

走向商用化的第一步

THz頻段的研究成果多年來(lái)一直只出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，由于設(shè)備復(fù)雜和需要熟練人員操作，而未能將成果商業(yè)化。今年TeraView公司首先實(shí)現(xiàn)了THz測(cè)量設(shè)備的商業(yè)化，推出兩套THz遠(yuǎn)紅外光譜儀IPI Spectra 1000和2000，它們的主要特性是：

*頻譜(波長(zhǎng))量程—40GHz-3THz，1.3cm-1-100cm-1(Spectra 2000)；40GHz-4THz，1.3cm-1-133.3cm-1(Spectra 1000)；分辨率3GHz(0.1cm-1)。
*THz振蕩源和檢測(cè)器—激光器門(mén)控的光電半導(dǎo)體發(fā)射器；光電半導(dǎo)體接收器。
*掃描方式—步進(jìn)方式和快速方式，單次快速掃描用40Hz和分辨率2-3cm-1。
*數(shù)據(jù)采集—A/D轉(zhuǎn)換器16位，Windows操作系統(tǒng)，USB接口，專(zhuān)用OPUS光譜分析軟件。
*樣品室—尺寸100