改變世界的十大技術——
太赫茲技術及其應用
曹恆鎮，160212205
導讀：
小編先前聽一位搞軍工的親戚說過一個高大上的名詞——“太赫茲”，原本以爲只是通信方面的一個前沿分支。之後又在光電國家實驗室研究領域上看見了它，方之他也與光電有着密切關係，是一個交叉研究方向，最近發現它居然曾被評爲“改變世界的十大技術”，那麼太赫茲又有什麼大法能如此受人追捧呢？下面讓小編逐一道來：
什麼是太赫茲：
其實“太赫茲”(THz)是單位Terahertz的英譯，是指100 GHz～10 THz的電磁波，如圖1所示：
在電磁頻譜上，太赫茲波段兩側的紅外和微波技術已經相對成熟。但涉及太赫茲波段的研究結果和數據卻非常稀少，在此頻段上，既不完全適合用光學理論來處理，也不完全適合微波的理論來研究，另外在很大程度上受限於有效的太赫茲源和探測器，因此這一波段一度被稱爲Terahertz Gap“太赫茲鴻溝”。近年來，激光器的發展爲THz的產生提供了穩定，可靠的激光光源；同時THz的檢測技術也取得了蓬勃的發展，使太赫茲技術的應用成爲可能。如今，太赫茲技術在醫療診斷、天文、物體成像、工業探傷、寬帶移動通信，雷達探測等衆多領域顯示了重大的科學價值及實用前景
太赫茲的主要特性：
1：相干性：由於它是由相干電流驅動的電偶極子振盪產生，或又相干的激光脈衝通過非線性光學頻率差頻產生，因此有很好的相干性。THz的相干測量技術能夠直接測量電場振幅和相位，從而方便提取檢測樣品的折射率，吸收係數等。
2：低能性：THz光子的能量只有10^-3量級，遠小於X射線的10^3量級，不易破壞被檢測的物質，適合於生物大分子與活性物質結構的研究。
3：穿透性：THz輻射對於很多非極性物質，如塑料，紙箱，布料等包裝材料有很強的穿透能力，在環境控制與安全方面能有效發揮作用
4：吸收性：大多數極性分子對THz有強烈的吸收作用，可以用來進行醫療診斷與產品質量監控。
5：瞬態性：相比於傳統電磁波與光波，THz典型脈寬在皮秒量級，通過光電取樣測量技術，能夠有效抑制背景輻射噪聲的干擾，在小於3THz時信噪比達10^4:1。
6：寬帶性：THz脈衝光源通常包含諾幹個週期的電磁振盪，單個脈衝頻寬可以覆蓋從GHz至幾十THz的範圍，便於在大的範圍內分析物質的光譜信息。
太赫茲發射源：
發射源可大致分爲四大類：
1）：基於光子學的太赫茲發生器（包括光電導天線和光整流等）(主要介紹)
A：光電導天線：
在光電導半導體材料表面澱積上金屬電極製成偶極天線結構，金屬電極對光電導半導體施加偏壓，當超快激光打在兩電極之間的光電導材料上時，會在其表面瞬間（10^-4s量級）產生大量電子空穴對。這些光生自由載流子會在外加偏置電場與內建電場的作用下加速運動從而在光電導半導體材料表面形成順變的光電流。這種快速的，隨時間變化的電流會向外輻射出太赫茲脈衝，如圖2-1
詳情可見：
張清剛,周俊.光電導太赫茲天線及其研究進展[J].現代電子技術,2012,4(7):89-98.
http://www.docin.com/p-1409620753.html
B：光整流：（最爲廣泛使用）
光整流是是產生太赫茲脈衝的另一機制，它是一種非線性效應,當同頻率的兩束強激光在非線性介質中傳輸時，在介質二階非線性效應的作用下會發生差頻振盪效應，進而產生一個與光強成正比而與頻率無關的直流低頻極化電場, 與非線性介質的電光效應互爲逆過程。
光整流是產生太赫茲脈衝的另一種機制，它是一種非線性效應，是電光效應的逆過程。衆所知道，兩束光束在線性介質中可以獨立傳播，且不改變各自的振盪頻率。然而在非線性介質中，它們將會發生混和，從而能產生和頻振盪及差頻振盪現象。由此在出射光中，除了和入射光具有相同頻率的光波以外還有其他頻率（例如和頻）的光波。而且當一束高強度的單色激光在非線性介質中傳播時，它會在介質內部通過差頻振盪效應激發出一個恆定（不隨時間變化）的電極化場。這個電極化場不會向外輻射電磁波，它只是會在介質內部建起一個直流電場。我們就把這種現象稱爲光學整流效應。如果入射到非線性介質中的是超短激光脈衝，則根據傅立葉變換理論可知，一個脈衝光束可以分解成一系列單色光束的疊加，這些單色光將會在非線性介質中發生混合。其中，由差頻振盪效應會產生一個低頻振盪的時變電極化場。這個低頻極化電場進而輻射出超快THz波，這是因爲所輻射出的電磁波的頻率上限與入射激光的脈寬有關，如果入射激光的脈寬在亞皮秒量級，則輻射出的電磁波的頻率上限就會在太赫茲量級，由此這種光整流效應被稱作爲亞皮秒光整流效應，或太赫茲光整流效應，太赫茲電場強度與泵浦飛秒脈衝的強度包絡成正例變化，即泵浦飛秒脈衝峯值功率越高，輻射出的太赫茲波電場強度越高。用光整流產聲THz波有很多優點，比如可以產生較高的輻射頻率,產生的輻射有較寬的頻譜帶寬，可以通過對介電材料的週期性極化來控制所產生太赫茲脈衝的波形等等。
詳情可見：
邵立,路綱,程東明.光整流太赫茲及其研究進展[J].激光和紅外,2008,9(9):872-875
http://www.docin.com/p-788352474.html
c)：空氣產生太赫茲(略)
d)：太赫茲參量源(略)
2)：半導體太赫茲源(包括太赫茲量子級聯激光器等)
半導體激光可能是發射窄波段的太赫茲輻射的終極技術。最早的這種激光器是 20年前在淺摻雜的p型Ge中，使用正交的電磁場引起空穴數反轉形成的。通過改變外加磁場和壓力的方法，可以改變輸出激光的頻率。通過施加一個非沿軸向的強壓，引起半導體Ge的空穴數反轉也可以產生太赫茲激光。但是這些激光有一些固有的缺陷，如效率低、輸出功率低，需要低溫冷卻以保證激光條件等。現在，利用一定的半導體生長工藝或電子射頻上轉換技術、光頻下轉換技術，可以使一些半導體激光器，如太赫茲量子級聯激光器、GaAs
肖特基二極管倍頻鏈、耿氏振盪器等都能夠輸出太赫茲輻射
3)：基於真空電子器件的太赫茲輻射源
(納米行波管及其陣列、返波振盪器、納米速調管及其陣列、迴旋管、自由電子激光器、相對電子注或等離子體電子器件等)
採用先進的微細加工技術，如LIGA技術（LIGA是採用X射線刻蝕和電鑄相結合的技術）
、MEMS微電子機械系統加工技術等，將固態加工技術引入到真空電子技術領域之中，可以製造出能作爲太赫茲輻射源的微型真空電子器件（μVED）。這些器件克服了普通三、四極管的渡越時間效應，而且如果利用微波管分佈作用原理，就可使微波管的工作頻率達到太赫茲頻段，成爲一種非常具有應用前景的太赫茲輻射源。具有噪聲低、增益高、效率高、體積小、重量輕、性能穩定等特點。但是，它們在某些方面也存在着一些問題，如射頻窗口、波導元件、磁聚焦問題、陰極和電子槍及器件的裝配等，而這些問題又直接限制了微型真空電子器件的性能指標。目前，在太赫茲頻段對於微型真空電子器件的研究還處於研究階段，它將是一種非常具有應用前景的太赫茲真空輻射源。
4)：相對論電子元件的太赫茲輻射源
(羅奧管，相對論電子束，等離子體波尾場太赫茲輻射，儲存環型太赫茲輻射源等)
有興趣的自行查閱。。。太多了！！！
更多關於太赫茲發射源的方法詳見：
https://wenku.baidu.com/view/2ba791c6ce2f0066f53322c6.html?from=search
太赫茲探測：
和太赫茲輻射源一樣，太赫茲探測也是太赫茲科技中的另一項關鍵技術，是太赫茲技術投入到實際應用的另一關鍵環節。由於目前太赫茲輻射源的功率普遍都較低，因此發展高靈敏度、高信噪比的太赫茲探測技術尤爲重要。太赫茲的探測方法比較多，不過依據太赫茲輻射的形式不同，可以將它們大致分爲太赫茲脈衝輻射的探測和太赫茲連續波信號的探測兩類。
1：太赫茲脈衝輻射的探測
A：)光電導取樣
光電導取樣是基於光導天線（photoconductive antenna, PCA）發射機理的逆過程發展起來的一種探測THz脈衝信號的探測技術。如要對THz脈衝信號進行探測，首先，需將一個未加偏置電壓的PCA放置於太赫茲光路之中，以便於一個光學門控脈衝（探測脈衝）對其門控。其中，這個探測脈衝和泵浦脈衝有可調節的時間延遲關係，而這個關係可利用一個延遲線來加以實現；爾後，用一束探測脈衝打到光電導介質上，這時在介質中能夠產生出電子-空穴對（自由載流子），而此時同步到達的太赫茲脈衝則作爲加在PCA上的偏置電場，以此來驅動那些載流子運動，從而在PCA中形成光電流。最後，用一個與PCA相連的電流表來探測這個電流即可，如圖3-1。其中，這個光電流與THz瞬時電場是成正比的。
B：)電光取樣
電光取樣技術具有極寬的頻譜響應和很高的信噪比。此外由於其測量孔徑大, 因而也可以用此項技術進行直接二維成像測量。其中，時分電光取樣，即自由空間電光取樣是對太赫茲脈衝的時間波形進行取樣測量的；而波分電光取樣則是將太赫茲脈衝的時域波形一次複製到被啁啾展寬的啁啾脈衝的各頻率分量上，再通過對啁啾脈衝的光譜測量得到太赫茲波形。
a:時分電光取樣
電光取樣測量技術基於線性電光效應：當太赫茲脈衝通過電光晶體時，它會發生瞬態雙折射，從而影響探測（取樣）脈衝在晶體中的傳播。當探測脈衝和太赫茲脈衝同時通過電光晶體時，太赫茲脈衝電場會導致晶體的折射率發生各向異性的改變，致使探測脈衝的偏振態發生變化。調整探測脈衝和太赫茲脈衝之間的時間延
遲，檢測探測光在晶體中發生的偏振變化就可以得到太赫茲脈衝電場的時域波形。
自由空間電光取樣太赫茲探測，如圖3-3所示。圖中的激光器爲飛秒激光器，當它所發出的飛秒激光脈衝激光分束器之後，分爲探測脈衝和泵浦脈衝。泵浦脈衝是用來激發太赫茲發射極使其產生太赫茲脈衝，然後太赫茲脈衝又被離軸拋物面鏡準直聚焦後，經半透鏡照射到電光晶體之上，電光晶體的折射率橢球將會被其改變。當線偏振的探測脈衝在晶體內與太赫茲光束共線傳播時，它的相位會被調製。由於電光晶體的折射率會被太赫茲脈衝電場改變，所以探測光經過電光晶體時，其偏振狀態將會由線偏振轉變爲橢圓偏振，再經偏振分束鏡（這裏常用的是沃拉斯通（Wollaston）棱鏡）分爲s偏振和p偏振兩束，而這兩束光的光強差則正比於太赫茲 電場。使用差分探測器可以將這兩束光的光強差轉換爲電流差，從而探測到太赫茲電場隨時間變化的時域光譜來。利用機械電動延遲線可以改變太赫茲脈衝和探測脈衝的時間延遲，通過掃描這個時間延遲可得到太赫茲電場的時域波形。爲了提高靈敏度和壓縮背景噪聲，可以採用機械斬波器來調製泵浦光，而後利用鎖相探測技術，即可獲得太赫茲電場振幅和相位的信息。
b：波分電光取樣
爲了提高採集速率，可採用並行數據採集，即波分電光取樣，也可稱其爲啁啾脈衝光譜探測。。。這裏不介紹了，太過於專業了。。。有興趣自行了解
c：空氣探測太赫茲
由於空氣無處不在，所以空氣傳感器的最大優勢在於能夠靈活選擇感測位置。也不介紹了
2：連續太赫茲信號的探測
對於連續太赫茲波的探測，最常用的熱效應探測器，它們是基於熱吸收的寬波段直接探測。不過它們需要冷卻來降低熱背景，這類常用的裝置有液He冷卻的Si、Ge和Inb測輻射熱計。如果需要更高的頻率分辨率時，則需採用另外的窄帶探測方法。這類太赫茲波探測目前有電子探測器、半導體探測器等。其中，熱效應探測器大都是基於熱吸收效應，它們使用方便，但只能做非相干探測，不能獲取相干太赫茲波的相位信息。電子探測器是基於電子學的變頻技術，它們的特點是成本較低，結構緊湊。主要有測輻射熱計，高萊探測器，熱釋電探測器，肖特基二極管，場效應晶體管。這些都是電學問題啦，就不討論了。
太赫茲的應用：
1:太赫茲在國土安全與防恐的應用：
目前，太赫茲成像技術和光譜技術在國土安全領域已經發揮出了越來越大的積極作用。由於太赫茲的非電離性，及強穿透性，所以它能夠在機場、車站等地對隱藏的爆炸物、違禁品、武器、毒品等危險物品提供遠距離、大範圍的預警。赫茲安檢儀主要是利用人體和物品不同的溫度差來檢測，整個過程太赫茲安檢儀不是向外輻射電磁波，而是隻是被動接收人體發射出的太赫茲波。因此是目前安檢領域最安全、有效的方式，對人體是沒有危害的。且成像分辨率小於5毫米，即一個螞蟻大小的物體都能被辨識。未來可廣泛用於機場、海關、高鐵、地鐵等領域。太赫茲的成像解析度雖然比不上X射線，但足夠探測隱藏在衣物、鞋內的刀具、槍械等物品。另外結合太赫茲對物質鑑別的特性，能夠區分身上是否攜帶炸藥或毒品。便攜式的太赫茲安檢儀已經處於後期研發測試階段，有希望在20cm外自動快速檢測危險物品，實時生成高清晰度三維圖像。可以設想再過幾年，將在在機場火車站安裝大量太赫茲安檢設備。
如圖，G20上使用的太赫茲安檢儀成像效果圖：
2：太赫茲在無損檢測中的應用：
太赫茲脈衝成像技術被應用於缺陷的探測。通過逐點掃描的方法得到各個點的時域波形。然後分析波形的變化來判斷缺陷的大小，形狀，位置和種類。
3：太赫茲在醫學成像與診斷的應用：
4：太赫茲在軍事上的應用：
同樣在軍事領域，太赫茲也有它獨有的一面。例如，寬頻太赫茲雷達能夠對目標物體進行高分辨率的三維成像，而且它還能從光譜數據中提取出目標物成分的詳細信息；在陸海、空、天，電磁五維戰場中，太赫茲都可以對目標物進行對象識別。目前，軍方所感興趣的是太赫茲雷達的高分辨率成像，以及太赫茲被動成像系統。因爲與毫米波雷達相比，太赫茲雷達具有低仰角、高精度等特點，這使得太赫茲雷達三維成像的分辨率要強於毫米波雷達。而太赫茲潛在的最大應用價值則在於它的光譜分析能力，它根據材料的分子結構的共振吸收，可以獲得構成材料的組織成分的一些相關信息，由此太赫茲可用來作目標物的識別，而這是其他遠距離探測方法所難以做到的。
5：太赫茲在通信的應用：
赫茲作爲微波和毫米波的延伸，它所提供的通信帶寬要遠遠大於毫米波。隨着太赫茲輻射源和探測器的發展，以及太赫茲調製器和濾波器的問世，促進了太赫茲在通信領域的發展應用。可以預測在不遠的將來太赫茲波技術將會在近距離通信（10m到100m以內）方面發揮出越來越大的作用。太赫茲用於通信可以獲得10GB/s的無線傳輸速度，這比當前的超寬帶技術快幾百甚至1000倍之多，而且與可見光和紅外相比它同時具有極高的方向性以及較強的雲霧穿透能力。這就使得太赫茲通信可以以極高的帶寬進行高保密衛星通信。由於太赫茲頻段位於紅外線和高頻無線電（主要用於移動電話和其他無線通信系統之中）之間，並且該頻率是目前手機通信頻率的1000倍左右，所以它是很好的寬帶信息載體，特別適合作衛星間、星地間及局域網的寬帶移動通信。因此利用太赫茲電磁波進行無線電通信，則可以極大地增寬無線電通信網絡的頻帶，可望使無線移動高速信息網絡成爲現實。工作在太赫茲頻段的自由空間光（FSO）通訊系統可以將無線電波和可見光的優點結合起來，在濃霧天氣中也可以高速傳輸數據。
如圖，太赫茲通信框圖
詳情可見：
姚建銓等.太赫茲通信技術的研究與展望[J].中國激光,2009,36(9):2213-2239
https://wenku.baidu.com/view/35937b04e87101f69e3195df.html?from=search
6：太赫茲在其他領域的應用：
還有很多的啊，這裏就不一一列舉，自行搜索吧。。。
中國在太赫茲技術方面的研究領域（可能資料有點古老了，僅供參考）
小結：
太赫茲的獨特性能給通信（寬帶通信）、雷達、電子對抗、電磁武器、天文學、醫學成像（無標記的基因檢查、細胞水平的成像）、無損檢測、安全檢查（生化物的檢查）等領域帶來了深遠的影響。由於太赫茲的頻率很高，所以其空間分辨率也很高；又由於它的脈衝很短（皮秒量級）所以具有很高的時間分辨率。太赫茲成像技術和太赫茲波譜技術由此構成了太赫茲應用的兩個主要關鍵技術。同時，由於太赫茲能量很小，不會對物質產生破壞作用，所以與X射線相比更具有優勢。另外，由於生物大分子的振動和轉動頻率的共振頻率均在太赫茲波段，因此太赫茲在糧食選種，優良菌種的選擇等農業和食品加工行業有着良好的應用前景。太赫茲的應用仍然在不斷的開發研究當中，其廣袤的科學前景爲世界所公認。
PS:
啦啦啦，這是我第一次寫關於光學及交叉學科的文章，感覺知識嚴重不夠啊，看來還是要好好補理論了，踏實學。
2017.9.26