21世纪待开拓的THz新频段

十九世纪是电学和光学的启蒙时代，英国物理学家J.C.马克斯威尔在1864年在前人的研究基础上，归纳和修正成四个描述电场和磁场特性的方程式，它们分别是：电荷产生电场的高斯定律，磁偶极子的实验验证，电流和电场变化产生磁场的安培-马克斯威尔定律，以及磁场变化产生电场的法拉第感应定律。为了纪念马克斯威尔的贡献，物理学界将它们称为马克斯威尔方程式。此外，马克斯威尔还在1865年提出电场和磁场的振动波在自由空间的传播速度近似光速，光波就是一种按照电磁原理以电磁干扰的形式通过电磁场传播的电磁波。马克斯威尔在1879年逝世后，马克斯威尔方程式在1884年由海维赛德(Heaviside)和吉布斯(Gibbs)用矢量微积分作了更加简化的表达，成为一组对称的数学表达式，直接影响到后来基础物理的发展。赫兹(Hertg)在1888年从实验证实马克斯威尔关于光波就是电磁波的推论。马克斯威尔方程式和对光波的定量描述是十九世纪物理学的重大成就，为人类广泛地认识电磁波和光波奠定雄厚的理论基础。

二十世纪科学家和工程师从长波、中波、短波、超短波、射频、微波频段推进，掌握了有关电磁波从低到高的应用，当前从直流至100GHz的发生、变换、检测方法比较成熟，对于100GHz以上的频段了解不多。另一方面，光波的应用，从可见光开始，低端向红外线扩展，达到远红外，高端向紫外线扩展，达到X射线甚至子射线。如果我们注意到高端微波0.1THz(100GHz)与最低远红外线30mm(10THz)之间存在一个空白的太赫兹THz频段(或波段)，对该区段内无论由磁波或光波都鞭长莫及，知之甚少，被视为未开垦的THz频段或间隙。这种情况到了1995年开始突破，许多研发成果不断出现，某些应用显示THz(或称T射线)可为人类提供丰富的频率资源。THz频段(0.1THz~10THz)跨越无线电波的高端与光波的低端，充分证明马克思威尔理论的正确性，THz频段将在二十一世纪为人类开拓新的应用。

对THz电磁波的认识取得进展

在研发和推介THz电磁波方面，美籍华人张希成教授的贡献和成就卓著，他是开拓T射线研究领域的学术权威之一。1980年代初他从北京大学物理系毕业后，赴美国Brown(布朗)大学深造，曾在麻省理工学院担任客座科学家，哥伦比亚大学电机系研究员，现任美国Rensselaer(伦斯勒)理工学院电机、计算机和系统工程系教授，THz研究中心主任，同时又是美国物理学会、光学学会和IEEE学会的资深会员。张希成教授不遗余力推动国际合作和共享成果，使THz电磁波获得国际科学界的共识和重视。2004年美国技术评论(Technology Review)评选“改变未来世界十大技术”时，将T射线作为其中的紧迫技术之一。张希成还是中国科学院、首都师范大学、厦门大学的客座教授，为我国发展THz电磁波技术、技术合作、交换学者做了许多有益工作。张希成等美国学者提出“下一代射线，T射线！”的口号，同时认为二十一世纪是THz时代，在提高和普及两方面都产生很大影响。

图1 电磁辐射波谱中的Thz波段

事实上，十年前我们对THz波段的电磁辐射和光学特性的了解非常有限，由于无线通信的迅猛发展使10GHz以下频段全部被占用，需要向更高频段扩展，网络传输借助光纤和激光技术使10Gb/s实用化，60Gb/s以上正在开发中。无线通信和网络传输都面临频谱资源的拓展，探索更高频段的THz是势在必行。从光学应用方面，科学家预期T射线含有丰富的可用信息，通过T射线的发射、反射和透射光谱的研究将在物体成像、医疗诊断、安全检测、生物科学、射电天文等尖端学科提供更广泛的应用前景。得益于近二十年激光技术、光电技术、数字电路、飞秒(fs,10-12s)测量等先进科技，十年不懈攻坚，终于打开THz波之门，对THz波有了初步的了解，THz电磁波将如其它电微波和光波那样，给人类社会活动带来更深远的影响。

从电磁辐射和光波辐射角度来看，从低频至微波，红外线至紫外线都有电离辐射和非电离辐射。电离辐射是原子的外层电子所激发出来的辐射能量足够大，达到电子跃迁而电离出所属原子。X射线、g射线和宇宙射线具有电离辐射特性，可用于人体医学检查和物理探伤，但剂量过大会引起人体损伤。非电离辐射是原子的外层电子的辐射能量不够大，达不到跃迁而只是改变轨道，没有离开所属的原子。从低频至微波都有非电离辐射，各个频段的电磁辐射各有所用，低于1GHz主要用在通信和测量，1GHz-10GHz用在移动通信、卫星通信、雷达、网络传输、微波炉，高于10GHz用在光纤通信、网络传输、航天/军事通信。电磁波的非电离辐射无处不在，它对人体皮肤有穿透作用，产生热效应，在规定的电平下辐射尚无明显的损坏人体器官实例。THz波处在微波高端至红外射线之间，仍属非电离辐射，故辐射量不强烈，容易被水和空气吸收，但相干性好，便于成像。

THz电磁波的产生和检测

任何黑体在10oK以上的温度都有THz电磁波发射，但非常微弱而无法应用。直至2000年代初，THz电磁波只能用同步辐射光源、返波振荡器、大功率固体激光器产生，但辐射量很微弱。

图2 实验用的THz时域光谱仪系统

在THz电磁波产生方面，使用晶体管器件虽然能够产生100GHz(0.1THz)的振荡，但是功率和频率稳定性都不够。目前100GHz的信号是借助倍频电路来获得的，变容二极管或肖特基二极管作倍频应用时，超过100GHz的频谱衰减很快，很难进入THz波段。最有希望产生THz电磁波的是半导体晶体，某些特殊晶体可在fs电脉冲激励下获得短暂的THz光波发射。连续发射THz电磁波的器件至今尚未研制成功，冲息脉冲的THz光波的产生也是近几年才得到的成果。

最简单的可在实验室条件下获得的脉冲THz波振荡源，是低温砷化镓(LT-GaAs)、半绝缘砷化镓(SI-GaAs)、磷化铟等半导体，在半导体衬底两面淀积金属图形电极，通常是偶极子天线，电极两端施加40V的偏压。半导体衬底在钛一蓝宝石(Ti-Saph)激光源100fs脉冲的激励下，当能量超过半导体衬底的能带间隙时，在天线电极两端产生载流子电荷，再经偏压加速使电荷产生THz波段的光子。在间隙产生的光电感应电流具有极快速的上升时间，而LT-GaAs材料的载流子寿命很短，形成宽度约2ps的THz脉冲。随衬底所用的半导体材料和激光源的不同，这种办法能够获得ps至ns的THz脉冲电流，输出功率电平是nW级。由于输出功率很低而频率覆盖范围很广，背境噪声往往高于信号功率，因而，THz波信号的接收需要先进的高灵敏度检测系统。

在THz电磁波检测方面同样遇到挑战，晶体管放大器目前只达到40GHz以下，包括光电二极管在内的传感器，由于灵敏度不够和背景噪声太高，无法检测到100GHz以上的THz电磁波或光波。为了准确检测到微弱的THz波，需要获得它的幅值和相位，才能正确重建THz波。目前采用与THz波产生相似的办法，使用碲化锌(ZnTe)电/光非线性晶体作为接收元件，在ZnTe衬底上淀积天线和引线，但是不施加直流偏压，偏压由接收的THz电磁辐射产生，发射与接收天线对准时偏压最大，接收到的THz波在引线两端产生的电流由窄带放大器放大。ZnTe衬底的载流子具有极短寿命，适合接收脉冲THz波的信号。接收端与发射端相互锁相同步，锁相的窄带放大器具有很高增益，可以获得很好的信噪比，加上后续数字信号处理器的多次平均运算再增强信噪比，典型信噪比S/N可达到10,000倍以上。除ZnTe以外，还有GaAs等半导体光电材料可作为THz波的检测用晶体。

实验室使用的THz波发射和接收系统，由于激光脉冲宽度在100fs以下，通常采用信号相关自取样法获取信号样本，实现发射和接收的严格同步。具体办法是从发射激光光源经分光镜和扫描光学延迟线，作为检测晶体的自取样脉冲光束，达到收发双方的锁相同步，从而获得复原的THz波形。因为THz波发射接收系统的光学装置使用了分光机构和自取样电路，该THz实验系统亦称为THz时域(分光)光谱仪(THz-TDS)。根据被测对象和应用目标的不同，THz波的发射、接收和显示实现不同的组合，能够构成电磁光谱、计算机断层扫描(T射线CT)、衍射断层扫描等二维和三维图像显示，亦即光谱和成像两种主要应用。

THz电磁波的应用前景

THz电磁波段处在亚毫米波与远红外线之间，显然低端THz波具有微波辐射特性，高端THz波具有光波辐射特性，加上它是非离子化辐射和占有极宽波谱，它的应用前景是非常可观的。例如THz波能够透过许多非导电材料，包括衣料、纸张、木材、泥土、塑料、陶瓷。THz波还可穿过云雾，但被金属和水吸收，大气层对它也是强吸收体，故THz辐射的传播距离很短，限制它在地面的视线距离通信应用。

当前正在开发中的理论和技术应用主要集中在以下几个方面：

第一， 医学成像。THz辐射的非电离性，不会像X射线那样对人体的DNA有破坏作用。某些THz辐射频率甚至可透过人身组织达到几cm深度和反射回来，同时可检测人身组织内水含量密度，以及有效检测到上皮癌细胞，代替常用的X射线透视和提供更安全的无损害成像。口腔科的牙齿三维照相也是潜在应用。肥胖人群由于体内脂肪太厚而阻挡X射线或超声波，使射束不能到达内脏的现象，将由THz的使用而得到改善。科学界认为，THz辐射能量比X射线低得多，对人体更为安全，而且适于分析、描绘被照射物质的成份和密度。

第二， 搜索和安全检查。在这方面，THz辐射将起着重要作用，目前已经制成安检使用的透视器原型机，能够穿透衣物和包装准确地识别传统武器、生物和化学武器、爆炸物。因为THz辐射不但获得化学武器、塑料炸弹图像，而且根据物体的唯一性光谱而获得它们的指纹。可以期待、在防止犯罪和恐怖分子的贩毒和破坏活动中THz将有更多作为。例如，成功地应用THz辐射检测到百米以外的nm尺寸物体，为NASA检测航天飞机的防热用泡沫层内部的裂痕隐患。

第三， 光谱分析。在室温下的物体可发射THz波段热能，获得信息丰富的光谱图，可识别化学和生物物体的组成成份，遗传基因特性，蛋白缠绕的复杂动态过程，光激励反应特性等其它波段光谱分析难以分辨的信息。近年取得进展的THz时域光谱仪和THz断层分析，能够对可见光和近红外光透明的样品作测量和分析，由于脉冲THz的辐射具有相干和宽带特性，它的图像要比单一频率源的图像含有更多信息。

第四， 卫星通信。THz的宽广频段有利于飞机对卫星和卫星对的高速数据传送和接收，对天体物理和外层空间获得更多的了解。

第五， 其它应用。THz成像将部置在制造、质量控制和过程监控，因为塑料和纸箱对THz辐射呈现透明，对监控带来许多方便。微型传感器、MEMS器件、THz光电器件的探索等还处在初始阶段，应用成果将陆续出现。

我国THz研发将结硕果

鉴于THz电磁波的重大应用前景，无论发达国家或发展中国家都投入较大规模的资金支持有关THz电磁波的理论和应用研发。以美国为例，美国国家基金会、航天局、国防部、能源部、研究机构、高等院校对THz电磁波研发十分活跃，课题覆盖面广，成果最多，人才济济。欧洲各国除支持本国的研发项目之外，还在欧盟范围内开展多学科的大型合作项目。亚洲的日本、韩国、中国(包括台湾)都有独立的研发机构。甚至大洋洲的澳大利亚同样重视THz电磁波的研发，在几所大学成立专题研究小组。我国科技部、中国科学院、自然科学基金委员会对THz电磁波研究给予高度关注，从2000年起一直作为基础研究重大项目、基金会重大项目、973计划实施相关安排，作为知识创新课题取得可喜成果，积累了相当多的工作经验，成为全球研发THz电磁波的重要组成部分。

到目前为止，THz电磁波振荡源只有脉冲振荡器，大部分属于3THz以下频段，连续波振荡源尚未解决，对5THz以上的辐射了解还不够。美国国防部高级研究计划局早在2002年即将连续波THz振荡源列为招标项目，一旦THz连续振荡器变得跟其它波段振荡器那样容易获得时，将会推动THz电磁波的研发和应用，使THz电磁波与其它微波波段或光波那样为人类社会带来深远的影响。人类在100多年内仅掌握100GHz以下的电磁波段，如果推进到1THz以上，可用波段将扩大10-100倍，从1mm波段至30mm远红外光波之间的空白将被突破，意义非常重大。

图3 持有利刃的疑犯和THz图像对比

当前，实验用连续THz辐射可从同步光源取得，特别是第三代能量30MeV以上的高能同步加速器，能够产生从T射线、红外、紫外至X射线的辐射。2006年7月称为“钻石光源”的英国同步辐射光源调试成功，设计能量为30MeV的全球最强光源将在2007年启用，先建8个光束实验站可供实验之用，最终再建成40个光束实验站。每个实验站安装有可调狭缝阵列、各种光学镜头、晶体、光电/电光测量仪器、各种光谱仪等。光束站的X射线亮度是医用X射线的1000亿倍，超强光束能够深入到物质的分子，为研究物质、材料和生物样品的基本结构提供有效手段。我国在高能物理研究方面具有国际水平，在2004年底已启动“上海光源”计划，2009年将建成光束能量35MeV的第三代同步辐射光源，首期有10个光束实验站，最终建成40个光束实验站，目标是开展国际性的多学科综合研究，在材料、生物、医学和环境研究中取得突破性成果。上海光源的建成对我国T射线研发将有强力推动，取得更先进的成果。在上海光源建成之前，中科院上海分院的fs电子束加速器可获得飞秒脉冲的30MeV的电子束团，同时也是我国最大型的T射线实验室之一，它的T射线实验平台已开展多项材料的吸收和透射特性测量，对THz时域光谱和成像也取得进展。可以预期，上海光源投入使用后，我国在THz或T射线的研究和应用方面更上一层楼，会对相关研发做出国际水平的贡献。

走向商用化的第一步

THz频段的研究成果多年来一直只出现在实验室内，由于设备复杂和需要熟练人员操作，而未能将成果商业化。今年TeraView公司首先实现了THz测量设备的商业化，推出两套THz远红外光谱仪IPI Spectra 1000和2000，它们的主要特性是：

*频谱(波长)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振荡源和检测器—激光器门控的光电半导体发射器；光电半导体接收器。
*扫描方式—步进方式和快速方式，单次快速扫描用40Hz和分辨率2-3cm-1。
*数据采集—A/D转换器16位，Windows操作系统，USB接口，专用OPUS光谱分析软件。
*样品室—尺寸100