21世紀(jì)待開拓的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)描述電場和磁場特性的方程式，它們分別是：電荷產(chǎn)生電場的高斯定律，磁偶極子的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，電流和電場變化產(chǎn)生磁場的安培-馬克斯威爾定律，以及磁場變化產(chǎn)生電場的法拉第感應(yīng)定律。為了紀(jì)念馬克斯威爾的貢獻(xiàn)，物理學(xué)界將它們稱為馬克斯威爾方程式。此外，馬克斯威爾還在1865年提出電場和磁場的振動(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電磁場傳播的電磁波。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化的表達(dá)，成為一組對稱的數(shù)學(xué)表達(dá)式，直接影響到后來基礎(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、檢測方法比較成熟，對于100GHz以上的頻段了解不多。另一方面，光波的應(yīng)用，從可見光開始，低端向紅外線擴(kuò)展，達(dá)到遠(yuǎn)紅外，高端向紫外線擴(kuò)展，達(dá)到X射線甚至子射線。如果我們注意到高端微波0.1THz(100GHz)與最低遠(yuǎn)紅外線30mm(10THz)之間存在一個(gè)空白的太赫茲THz頻段(或波段)，對該區(qū)段內(nèi)無論由磁波或光波都鞭長莫及，知之甚少，被視為未開墾的THz頻段或間隙。這種情況到了1995年開始突破，許多研發(fā)成果不斷出現(xiàn)，某些應(yīng)用顯示THz(或稱T射線)可為人類提供豐富的頻率資源。THz頻段(0.1THz~10THz)跨越無線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)為人類開拓新的應(yīng)用。

對THz電磁波的認(rèn)識(shí)取得進(jìn)展

在研發(fā)和推介THz電磁波方面，美籍華人張希成教授的貢獻(xiàn)和成就卓著，他是開拓T射線研究領(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)國際合作和共享成果，使THz電磁波獲得國際科學(xué)界的共識(shí)和重視。2004年美國技術(shù)評論(Technology Review)評選“改變未來世界十大技術(shù)”時(shí)，將T射線作為其中的緊迫技術(shù)之一。張希成還是中國科學(xué)院、首都師范大學(xué)、廈門大學(xué)的客座教授，為我國發(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。張希成等美國學(xué)者提出“下一代射線，T射線！”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THz波段的電磁輻射和光學(xué)特性的了解非常有限，由于無線通信的迅猛發(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以上正在開發(fā)中。無線通信和網(wǎng)絡(luò)傳輸都面臨頻譜資源的拓展，探索更高頻段的THz是勢在必行。從光學(xué)應(yīng)用方面，科學(xué)家預(yù)期T射線含有豐富的可用信息，通過T射線的發(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、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)測量等先進(jìn)科技，十年不懈攻堅(jiān)，終于打開THz波之門，對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，給人類社會(huì)活動(dòng)帶來更深遠(yuǎn)的影響。

從電磁輻射和光波輻射角度來看，從低頻至微波，紅外線至紫外線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、g射線和宇宙射線具有電離輻射特性，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，沒有離開所屬的原子。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處不在，它對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

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，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)能量超過半導(dǎo)體襯底的能帶間隙時(shí)，在天線電極兩端產(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。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)的高靈敏度檢測系統(tǒng)。

在THz電磁波檢測方面同樣遇到挑戰(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，無法檢測到100GHz以上的THz電磁波或光波。為了準(zhǔn)確檢測到微弱的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/光非線性晶體作為接收元件，在ZnTe襯底上淀積天線和引線，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)射與接收天線對準(zhǔn)時(shí)偏壓最大，接收到的THz波在引線兩端產(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THz波的檢測用晶體。

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，作為檢測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)亦稱為THz時(shí)域(分光)光譜儀(THz-TDS)。根據(jù)被測對象和應(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)用前景是非常可觀的。例如THz波能夠透過許多非導(dǎo)電材料，包括衣料、紙張、木材、泥土、塑料、陶瓷。THz波還可穿過云霧，但被金屬和水吸收，大氣層對它也是強(qiáng)吸收體，故THz輻射的傳播距離很短，限制它在地面的視線距離通信應(yīng)用。

當(dāng)前正在開發(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射線那樣對人體的DNA有破壞作用。某些THz輻射頻率甚至可透過人身組織達(dá)到幾cm深度和反射回來，同時(shí)可檢測人身組織內(nèi)水含量密度，以及有效檢測到上皮癌細(xì)胞，代替常用的X射線透視和提供更安全的無損害成像。口腔科的牙齒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?？茖W(xué)界認(rèn)為，THz輻射能量比X射線低得多，對人體更為安全，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輻射檢測到百米以外的nm尺寸物體，為NASA檢測航天飛機(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)梢姽夂徒t外光透明的樣品作測量和分析，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)對衛(wèi)星和衛(wèi)星對的高速數(shù)據(jù)傳送和接收，對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)量控制和過程監(jiān)控，因?yàn)樗芰虾图埾鋵Hz輻射呈現(xiàn)透明，對監(jiān)控帶來許多方便。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THz研發(fā)將結(jié)碩果

鑒于THz電磁波的重大應(yīng)用前景，無論發(fā)達(dá)國家或發(fā)展中國家都投入較大規(guī)模的資金支持有關(guān)THz電磁波的理論和應(yīng)用研發(fā)。以美國為例，美國國家基金會(huì)、航天局、國防部、能源部、研究機(jī)構(gòu)、高等院校對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)。歐洲各國除支持本國的研發(fā)項(xiàng)目之外，還在歐盟范圍內(nèi)開展多學(xué)科的大型合作項(xiàng)目。亞洲的日本、韓國、中國(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)成立專題研究小組。我國科技部、中國科學(xué)院、自然科學(xué)基金委員會(huì)對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5THz以上的輻射了解還不夠。美國國防部高級研究計(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社會(huì)帶來深遠(yuǎn)的影響。人類在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、紅外、紫外至X射線的輻射。2006年7月稱為“鉆石光源”的英國同步輻射光源調(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/電光測量儀器、各種光譜儀等。光束站的X射線亮度是醫(yī)用X射線的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。我國在高能物理研究方面具有國際水平，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)是開展國際性的多學(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。上海光源的建成對我國T射線研發(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)也是我國最大型的T射線實(shí)驗(yàn)室之一，它的T射線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已開展多項(xiàng)材料的吸收和透射特性測量，對THz時(shí)域光譜和成像也取得進(jìn)展?？梢灶A(yù)期，上海光源投入使用后，我國在THz或T射線的研究和應(yīng)用方面更上一層樓，會(huì)對相關(guān)研發(fā)做出國際水平的貢獻(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)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振蕩源和檢測器—激光器門控的光電半導(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，專用OPUS光譜分析軟件。
*樣品室—尺寸100