太赫兹THz波技术
微波射频网搜集整理 2022-09-21

一、前言

THz波是指频率在(0.1-1 0)THz(波长为3000—30微米)范围内的电磁波,1THz=1012Hz。由图1可见,它在长波段与(亚毫米波)相重合,而在短波段,与红外线相重合下,可见,太赫兹波在电磁波频谱中占有很特殊的位置。由于多种科学技术原因,特别是THz波源的问题未能很好解决,太赫兹波科学技术的发展受到很大的限制,从而使其应用潜能未能发挥出来,如Fi g12所示。

如Fig.1所示,人们提出THz空白(THz Gap)的概念。其实THz Gap可以有以下几方面的意义:

1.THz所处的位置正好处于科学技术发展相对较好的微波毫米波与红外线光学之间,形成一个相对落后的“空白”。

2.THz的长波方向,主要依靠电子学(Electronics)科学技术,而THz的短波长方向则主要是光子学(Photonics)科学技术,从而在电子学与光子学之间形成一个Gap。这点具有深刻的物理含义,将在THz源一节中详细讨论。

图2(a)表示半导体器件和激光器件(主要是量子级联激光)的工作频率范围。可以看到,所有的半导体器件目前都难以达到THz波段,而量子级联激光的工作频率可以从光波向THz延伸下来。红线表示2002年以后的发展状况。

图2(b)则表示真空电子学THz源的发展状况。可以看到:某些真空电子器件的工作频率已经从微波毫米波波段逐步向THz推进,而FEL的频率则不受限制,可以工作在整个THz波段。要指出的是,真空电子学THz源的迅速发展,也是近几年发生的。

由于THz所处的特殊电磁波谱的位置,它有很多优越的特性,有非常重要的学术和应用价值(有的已处于实用),使得全世界各国都给予极大的关注。美国、欧州和日本尤为重视。

1)在美国包括常青藤大学在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,如LLNL,LBNL,SLAC,JPL,BNL,NRL,ALS,ORNL等都在开展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。

2)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KFZ,BESSY,Karlsruhe,Cohn,Hamburg及若干所大学,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。

3)在亚洲国家和区域,韩国国立汉城大学、浦项科技大学、国立新加坡大学、台湾大学、台湾清华大学等都积极开展THz研究工作,并发表了不少有分量的论文。

4)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SLLSC,NTT Advanced  Technology Corporation,etc.等公司都大力开展THz的研究与开发工作。

可见,目前已经在全世界范围内形成了一个THz技术研究高潮。

本次香山会议的目的是尽可能集中我国的科学技术智慧,研究和讨论THz科学技术及其应用的发展现状和前景,研究和讨论并提出对我国THz科学技术及其应用发展的战略思考和研究工作的意见和建议,供政府领导参考。因此,本次会议意义重大。

经过慎重研究,本次香山科学会上的报告是这样安排的:安排了一个主题报告《THz科学技术的新发展》。在THz科学技术及应用中辐射源和检测技术是两个主要问题。对这两个方面安排了四个专题报告。成像和光谱技术对于THz辐射的应用来讲是很关键的,安排了两个专题报告。真空电子学对THz辐射源可能有很重要的贡献,安排了一个专题报告。光子晶体在THz波功能器件方面占有重要地位,安排了一个专题报告,会议还安排了THz科学技术在天文学方面的应用的专题报告。本来很想安排一个有关THz科学技术在生物医学方面应用的专题报告,但因一时无法找到合适的报告专家而未能实现。但是,与会专家也可临时在会上就某一问题作简短报告。

在这次香山科学会上,专题报告的安排如下:

专题报告1  《基于光学及光子学的THz辐射源》姚建铨
专题报告2  《THz波段的光谱分析和探测》汪力
专题报告3  《太赫兹波的应用》张存林
专题报告4  《太赫兹量子级联激光器及其他重要的半导体源》曹俊诚
专题报告5  《太赫兹波段信号的检测》吴培亨
专题报告6  《太赫兹在天文科学中的应用》史生才
专题报告7  《在激光等离子体中产生的超强太赫兹辐射》盛政明
专题报告8  《真空电子学对太赫兹源的可能贡献,大功率太赫兹辐射源》刘盛纲

二、太赫兹辐射的主要特征

(1)量子能量和黑体温度很低

Wave number Wavelength Frequency Energy Blackbody Temp.
1cm-1 10mm 30GHz 120µeV 1.5K
10cm-1 1mm 300GHz 1.2meV 15K
33cm-1 300µm 1THz 4.1meV 48K
100cm-1 100µm 3THz 12meV 140K
200cm-1 50µm 6THz 25meV 290K
670cm-1 15µm 20THz 83meV 960K

(2)许多生物大分子,如有机分子的振动和旋转频率都在THz波段,所以在THz波段表现出很强的吸收和谐振。
(3)THz辐射能以很小的衰减穿透物质如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等,因此可用其探测低浓度极化气体,适用于控制污染。THz辐射可无损穿透墙壁、布料,使得其能在某些特殊领域发挥作用。
(4)THz的时域频谱信噪比很高,这使得THz非常适用于成像应用
(5)带宽很宽(0.1—10T)Hz。
(6)很短的THz脉冲却有着非常宽的带宽和不同寻常的特点。

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