国内外太赫兹技术发展及应用

机工

　太赫兹(THz)指的是电磁频谱上频率为0.1～10THz的辐射，波长范围为0.03～3mm，介于无线电波和光波之间。太赫兹波具有穿透性强、使用安全性高、定向性好、带宽高等技术特性。

　　太赫兹是电磁波谱最后的处女地，具有独特的优越性及极重要的应用，是新一代产业的科学技术基础。太赫兹科学综合了电子学与光子学的特色，是典型的交叉前沿科学领域，蕴含着原创性重大机理和方法并亟待突破，具有重大的科学意义。太赫兹科学技术也将是后摩尔时代信息技术发展的重要支撑，因此世界各国都对太赫兹技术进行了广泛而深入的研究，并获得了一系列成果。

太赫兹技术的发展过程

　　在美国国内有数十所大学都在从事THz的研究工作，特别是美国重要的国家实验室，都在开展THz科学技术的研究工作。美国国家基金会(NSF)、国家航空航天局(NASA)、能源部(DOE)和国家卫生学会(NIH)等从90年代中期开始对THz科技研究进行大规模的投入。如航天飞机表面隔热材料THz成像检测系统、THz  雷达、安检系统、环境监测设备等。

　　欧洲的一些国家相继建立THz  科学研究机构，已取得了较大进展。英国的Rutherford国家实验室，剑桥大学、里兹大学、Strathclyde等十几所大学，德国的若干所大学，都积极开展THz研究工作。欧洲国家还利用欧盟的资金组织了跨国家的多学科参加的大型合作研究项目。在俄国国家科学院专门设立了一个THz研究计划，IAP，IGP及一些大学也都在积极开展THz研究工作。

　　日本于2005年1月8日，公布了日本国十年科技战略规划，提出十项重大关键技术，将THz列为首位。东京大学、京都大学、大阪大学、东北大学、福井大学以及各公司都大力开展THz的研究与开发工作。特别在THz通信方面取得了重要进展，研发出120GHz  毫米波无线通信系统和300GHz～400GHz的无线通信系统。

　　目前的移动通信无线接入网络均是采取低于5  GHz频点的物理频段，并采取高阶调制方式(比如QAM)来提高无线频谱资源利用效率与有限带宽内的移动接入速率。

　　近年来，我国的政府机构和科研院校高度关注THz研究，已建立起几十个THz研究中心(实验室)。如中国科学院THz固态技术重点实验室、中国工程物理研究院THz科学技术研究中心、北京市THz与红外工程技术研究中心、北京市THz波谱与成像重点实验室、中国计量学院THz技术与应用研究所等等。这些单位在THz源、真空电子学、光子学、量子级联激光器的THz辐射源、超导探测、特殊材料、成像及波谱分析等领域取得了大量具有国际先进水平的研究结果，促进了THz技术的研究发展。

　　近年来，随着超快激光技术的迅速发展，太赫兹脉冲的激发光源得以更加稳定和可靠，为进一步研究太赫兹波谱技术创造了条件。另外，太赫兹成像及检测技术也受到了各国政府、科研机构、高等院校等研究单位的高度重视。与此同时，各种机制的太赫兹辐射源、探测器以及一些关键功能器件的研究也在飞速发展，为太赫兹技术在国防、航空航天、生物医药、通信等领域的应用奠定了基础，由于太赫兹波所具有的独特的性质以及这一波段的技术空白，使得太赫兹技术有着广阔的应用前景。

　　THz的强透射能力和低辐射能量以及国家在公共安全检测方面的重大需求，比如检测毒品，以及在要害部门、场所的安全监控，  如机场安检，使得THz辐射有望成为一种新的公共安全监控技术。由于THz既可以用于成像，又可以用于波谱分析，且其穿透能力极强，所以可以用其来实现非接触、非破坏性的探测。通过THz不仅能够检测出携带有武器的乘机者，还可以检测旅客携带的特殊物品。另外危险爆炸品，非法走私物品和无害的化妆品，也可以通过太赫兹来进行区分。科学家们曾预测，在不久的将来，THz成像技术将成为机场、车站及海关等公共场所安全检查的新手段。

　　太赫兹技术已经在能源、检测等方面取得了巨大进展，在通信、雷达等应用方面取得多项标志性成果，高分辨太赫兹雷达与成像、高速大容量太赫兹通信系统已成为太赫兹技术空间应用的重要发展方向，在成像识别、星间高速大容量数据通信、太赫兹频谱监视等方面具有良好的发展前景。

　　THz具有非常宽的频谱，可工作在目前隐身技术所能对抗的波段之外，因此它能探测隐身目标，以其作为辐射源的超宽带雷达能够获得隐身飞机的图像。如军事作战中，探测敌对分子的武器藏匿处以及显示前方灰尘或烟雾中的坦克。如果能够在远距离雷达成像应用中很好地解决THz宽带反隐身雷达技术、THz远距离传播相应的散射问题、THz传播过程中的相位相干性问题、图像分辨率问题等，THz在军事方面的应用将呈现出百花齐放的局面。

　　由于THz通信具有大气不透明、带宽宽、天线小、定向性好、安全性高和散射小等特点，决定了其应用领域非常广泛，包括卫星间星际通信、同温层内空对空通信、短程地面无线局域网、短程安全大气通信以及发展THz通信理论。关于THz军事通信的研究计划也层出不穷，如:美国航空航天局(NASA)、美国空军科学研究办公室实验室(AFOSR)和美国空军研究实验室(AFRL)的传感器研究部研究空军成像，通信和预警用的紧凑创新的SiGe基THz源和探测器，欧盟第五框架计划资助的WANTED工程(wireless  area net working of terahertzemitters and detectors)及欧盟第五框架计划资助的NanoTera工程。

　　由于很多生物大分子及DNA分子的旋转及振动能级多处于太赫兹波段，生物体对太赫兹波具有独特的响应，所以太赫兹辐射可用于疾病诊断、生物体的探测及癌细胞的表皮成像。计算机辅助层析成像技术是在X射线领域首先发展并应用起来的三维解析成像技术。太赫兹波也可以应用于计算机辅助层析成像。

　　太赫兹层析成像对物体的反映是多方面的，不仅可以获得物体的吸收率的分布，还可以得到物体的折射率和材料的三维分布。  但是太赫兹波成像有2个固有的限制：其一，它不能穿透金属，金属表面几乎可以100%的反射太赫兹辐射，因而太赫兹波不能探测金属容器内的物体;其二，液态水对太赫兹波有强烈的吸收。

　　太赫兹检测与其他无损检测技术相比，在检测非金属材料内部缺陷方面具有独特优势。太赫兹波可以穿过不透明的材料，检测到可见光探测不到的内部缺陷。它还可以用于绝热材料，对于这种材料热成像失效。和射线相比，它对人体不构成辐射危害，还能为软材料提供更好的对比度。与超声波相比，它可以根本不接触物体表面便实现成像，而且在有些材料中声波极度衰减，太赫兹波对于这些材料却适用。

　　在太赫兹无损检测装备领域，主要供应商有Luna Innovation、Teraview、Menlo System和Becker  Photonik公司。其中Luna Innovation和Teraview公司为太赫兹设备的老牌企业;Becker  Photonik公司虽然进入太赫兹领域时间较短，但该公司专注于研究太赫兹无损检测技术及设备开发;Menlo  System公司也是新成立的太赫兹设备公司，技术成熟产品类型较多。