20世纪80年代以来，随着一系列新技术和新材料的发展，特别是超快技术的发展，宽带稳定脉冲太赫兹源逐渐普及，推动了太赫兹技术的快速发展，掀起了太赫兹研究的浪潮。2004年，麻省理工学院命名“改变未来世界的十大技术”，太赫兹技术就是其中之一；2005年，日本政府列出“国家支柱十大关键战略技术”，太赫兹技术排名第一；欧洲、澳大利亚等国家的政府、研究机构、大学和企业都致力于太赫兹技术的研发。

一、太赫兹技术概述

太赫兹波是指频率范围为0.1太赫兹至10太赫兹，波长范围为0.03 ~ 3毫米至3毫米的电磁波，介于微波和红外光之间。太赫兹波在20世纪80年代中后期正式命名，之前被称为远红外线。

太赫兹波位于电子学和光子学的中间过渡区，具有独特的优势:

与微波相比，太赫兹波具有更高的频率、更宽的带宽和更小的波束发散角，可以携带更高频率的调制信号，大大提高通信速率和雷达分辨率。

与红外光相比，太赫兹波具有很强的透过率，对大多数干燥、非金属和非极性材料具有更好的穿透能力，可用于透视成像、无损检测和恶劣天气条件下的成像。

光谱“指纹”特征。大多数分子的分子振动和旋转频率都在太赫兹频段，因此利用太赫兹波和分子共振可以有效识别物质的不同成分和含量。太赫兹波在危险品检测、物质识别、医疗检测等领域具有一定的应用潜力。

光子能量低，生物相容性好。1THz电磁波的光子能量为4.14meV，远低于可见光和紫外光，是X射线的百万分之一，不会产生电离辐射。低功率太赫兹波可以直接照射生物组织，不会造成伤害。

二、太赫兹基础技术的发展现状

太赫兹基础技术主要研究如何产生、探测和控制太赫兹波，包括产生太赫兹波的太赫兹源、探测太赫兹波的各种探测器以及传输/调制太赫兹波的各种器件。

太赫兹源

目前太赫兹源主要包括量子级联激光器、真空太赫兹器件、加速器太赫兹源等。

1.量子级联激光器

量子级联激光器是利用ⅲ-ⅴ族超晶格材料研制的紧凑型半导体光源。它最初用于产生中红外波，并从2002年开始应用于太赫兹频率。目前，量子级联激光器在1 ~ 5THz范围内性能优异，也是该频段唯一输出功率较高的紧凑型光源，可产生功率大于1W的激光进行远场传输、频率梳和脉冲发射。虽然量子级联激光器的运行需要低温冷却，但可以用低成本的斯特林制冷机实现。

2.真空太赫兹器件

True 空 THz器件可以将储存的电能转化为加速电子束的动能，动能可以通过相互作用区的电磁波导或空腔转化为电磁场能量，主要包括行波管、速调管、磁控管和后向波管等。由于功率密度的限制，目前真正的空太赫兹器件主要工作在0.22~1.0THz，功率为1MW~10mW。瓦级真空太赫兹器件未来的发展趋势是克服大气衰减，穿透雾、灰尘或其他气溶胶，实现千兆移动网络通信、高分辨率雷达成像、无创医疗诊断、材料表征、射电天文研究等。

3.加速器太赫兹辐射源

加速器太赫兹辐射源主要利用电场或磁场作用于加速器产生的相对论电子，产生波长从真空紫外到X射线频段的电磁波。加速器辐射源的主要优点是其独特的光谱亮度、功率、极值场和脉冲能量。太赫兹加速器源在世界范围内得到了广泛的应用，最常用的有同步辐射加速器和自由电子激光器。同步红外辐射加速器是有限光谱测量和近场超宽带显微镜的主要光源，而自由电子激光主要用于化学、生命科学等领域，如研究稀释体系或单分子红外光谱。

太赫兹成像探测器

太赫兹成像探测器包括单探测器、阵列和焦平面阵列成像探测器。成像设备的整体性能由光学特性决定。无论采用哪种成像方法，所有的太赫兹成像系统都严重依赖于太赫兹源的功率和探测器的响应度。

时域成像系统主要利用光电导开关或硒化锌晶体对短脉冲进行高速整流。成像系统具有高频率带宽，但其太赫兹源功率通常较低。虽然可以通过同步检测克服，但整体图像采集时间相对较长，需要进一步发展。

标量成像系统的构建相对简单，但太赫兹源的功率要求较高。对于1赫兹以下的成像系统，利用真空电子器件，如耿氏振荡器、后向波管和二极管倍增器源，可以产生连续的太赫兹波。在中红外波段，量子级联激光器性能优异，但需要冷却，只能发射脉冲。

太赫兹探测器的主要发展方向是提高噪声等效功率、响应度和集成度。

光电导器件

光电导开关是一种既能产生宽带太赫兹波，又能探测宽带太赫兹波的器件。自20世纪80年代以来，光电导开关被广泛应用于太赫兹时域光谱测量。经过多年的发展，原来的半导体硅蓝宝石光电导开关已经被低温生长的砷化镓所取代，而砷化铟镓和石墨烯基光电导开关发展迅速，为太赫兹时域光谱测量提供了一种低成本、便携、稳定可靠的超短脉冲源。目前，单个半导体纳米粒子已被用于制造光电导探测器，有望将微纳电路与光学系统集成在一起。目前，基于光电导器件的太赫兹时域光谱系统的动态范围已经达到90dB，典型光谱覆盖在0.05赫兹到2 ~ 6赫兹之间。

无源太赫兹器件

对于无源太赫兹器件，太赫兹波导可以与太赫兹有源器件集成，无需光学对准，但损耗一般较大。高性能太赫兹波导由三种材料制成:全金属、金属-电介质和全电介质。金属管波导已经存在了一个多世纪，但直到2016年，国际标准化组织才同意金属管波导应工作在0.1赫兹以上的频率，而IEEE P1785工作组提出了高达5赫兹的标准。金属介质矩形/圆形波导的概念是在1963年提出的。目前低损耗介质材料制作的波导在0.15赫兹时损耗低至0.0037分贝/米，高损耗介质材料制作的波导在0.3赫兹时损耗小于1分贝/米，全介质波导避免了集肤效应损耗，但其绝缘效果较差。

传统光学元件也可以用于太赫兹频段，但该频段的器件性能远低于传统频段。例如线栅偏振器是工作在太赫兹频段的偏振器，但消光比低，元器件成本高。近年来，已经研究了使用消光比高达50dB的非均匀材料来制造太赫兹偏振器。波片是控制偏振的常用光学元件。最近，已经研究了利用堆叠波导结构制造工作在2.0 ~ 3.1赫兹的宽带波片。滤波器是频谱应用的重要组成部分。金属网滤波器已经在毫米波波段得到应用，并正在向太赫兹波段扩展。

三.太赫兹应用技术的发展现状

太赫兹应用技术的研究方向主要包括光谱应用、成像应用和通信应用，这些应用在国防安全领域也具有潜在的应用价值。

太赫兹光谱应用

1.时域频谱测量

太赫兹时域光谱技术是一种能够同时获得太赫兹脉冲与物质相互作用的电场强度和相位信息的技术。经过处理后，样品的光学、电学和介电特性可以被精确地表征为太赫兹频率的函数。1988年首次实现了太赫兹时域光谱测量，可以测量样品的透过率、折射率、吸收系数和介电常数。20世纪90年代初，太赫兹时域光谱技术采用锁模钛宝石激光器，探测器改为低温生长的GaAs器件。这个太赫兹时域光谱系统可以对直径几厘米的二维物体成像。在此基础上，发展了太赫兹层析成像和太赫兹近场/暗场/单像素成像系统。

2.半导体和纳米结构的表征

激光源太赫兹时域光谱技术出现后，一些研究将其应用于半导体和纳米结构的表征。2000年，一些研究人员发表了在非皮秒时间尺度上非接触测量砷化镓瞬态光电导的结果。目前，由亚皮秒时间分辨率的光电导天线制成的非接触探针已经能够在10~100fs时间尺度内表征GaAs电子-空空穴等离子体产生光子后的库仑掩蔽和等离子体散射现象。

3.无损检测和分子光谱学

太赫兹波对半导体、聚合物、陶瓷及其复合材料具有很强的穿透性，可用于无接触检测。太赫兹波光子能量低，不会影响材料，因此这种测量是非破坏性的。在工业和科学研究领域，太赫兹光谱可以在远场获得分辨率为数百微米空的图像，探索物体内部结构。太赫兹时域光谱在电子、制药、催化、食品、复合材料、艺术保护和汽车等领域有着广泛的应用。

太赫兹成像应用

1.显微成像

太赫兹频段是许多凝聚态物质低能激发能级对应的频段，包括等离子体子、声子、磁子和诱导能隙。时间分辨太赫兹显微成像系统可用于研究纳米系统的瞬态行为。但是太赫兹显微成像系统的空之间的分辨率有限，只能测量纳米系统的整体复电导率，需要对单个纳米结构和形状的相关局部效应进行建模和分析。

最近，具有单相干光子灵敏度的超宽带电光采样技术被应用于近场太赫兹显微镜，将太赫兹光谱成像系统的分辨率提升到了亚纳米粒子尺度空之间。此外，太赫兹扫描隧道显微镜也取得了一些进展。这款显微镜兼具高空分辨率和超快速成像能力。在第一次演示中，对约2纳米尺度的纳米结构进行了成像。

2.生物成像

太赫兹波可以与生物分子共振，几乎不损伤生物组织，从而实现体内成像。

太赫兹生物成像主要有两大应用:在分子层面，太赫兹波主要用于激发生物分子振动和检测分子运动；在生物组织层面，组织或细胞成像主要是利用生物组织和细胞的不同成分对太赫兹波的不同吸收率进行的。该图像的灰度变化反映了组织的不同介电特性，可用于区分疾病或受损组织。

3.医疗诊断

太赫兹波在医学诊断中的应用取决于不同含水量的组织对太赫兹波的不同吸收。观察人体组织的太赫兹透射图像，根据不同组织含水量的差异区分正常组织和病变组织。例如，TeraView开发了一种便携式液体太赫兹成像系统，剑桥医院皮肤科诊所使用该系统诊断皮肤癌。目前，太赫兹成像技术已在乳腺癌、结肠癌、烧伤和角膜水化等领域得到验证，并进行了工程设计。

太赫兹通信应用

随着全球无线数据业务的指数级增长，60GHz频段受到了各国的重视。对于更高容量的无线数据系统，研究人员正在研究太赫兹通信波段的可用带宽。目前，已有研究证明太赫兹通信在W波段和100GHz以上波段。通过肖特基势垒二极管的直接检测，可以在0.3赫兹实现48千兆位/秒的双通道多输入多输出实时通信，最近有研究利用下变频技术实现了多频段亚太赫兹通信系统中10048千兆位/秒的下行通信速率和1048千兆位/秒的上行通信速率。

在国防安全领域的应用

太赫兹光谱系统、成像系统和通信系统在国防安全领域也得到了广泛应用。

工作在0.15赫兹以上的成像系统可用于检查点筛查、情报收集、人体扫描等。太赫兹波可以被许多有机分子吸收，并被导电材料反射。利用低功率太赫兹波直接非接触扫描人体，可以发现人们随身携带的隐藏违禁物品，如毒品、爆炸物、枪支等。，不会对人体造成任何伤害。目前已经在0.15赫兹、0.34赫兹和0.68赫兹频段获得了大量的成像结果，验证了太赫兹安检系统的可用性。欧洲隐藏物体实时成像团队正在研发太赫兹成像安检仪。

太赫兹波与磷化铟集成电路相结合，可以使雷达和通信系统具有0.85赫兹及以上的频率。目前关注度较高的研究是利用0.23太赫兹雷达系统在退化的大气环境中成像，用于直升机在停电时降落或通过低空云层瞄准目标。此外，太赫兹波比微波具有更宽的频谱、更高的时间探测精度和分辨率，能够对隐身目标成像。普通的雷达吸波隐身材料只能吸收带宽有限的电磁波，而太赫兹雷达的宽带特性会使隐身吸波涂层失效。

此外，太赫兹波还可以用于设备的无损检测。例如，美国哥伦比亚号航天飞机坠毁后，利用中心频率为1赫兹的太赫兹波对航天飞机隔热泡沫层进行探测成像，成功探测到泡沫层中的缺陷。该技术在战略导弹和航空空航天结构材料的检测与评估中具有重要的应用价值，并被NASA选为缺陷检测技术之一。洛克希德·马丁公司还开发了太赫兹探测系统，以确保F-35战斗机的生产质量。

4.DARPA在太赫兹领域的研究

太赫兹技术在发展初期就引起了美军的重视，美国国防高级研究计划局在21世纪初启动了太赫兹研究项目。美国陆军、空陆军和海军也资助了太赫兹技术研究。

美国国防高级研究计划局太赫兹研究项目

自1999年以来，DARPA先后安排了“太赫兹成像焦平面阵列技术”、亚毫米波焦平面成像技术、高频集成真空电子学、太赫兹电子学、“压倒性真空电子大功率放大器”等研究项目，发展太赫兹基础器件。

此外，DARPA于2012年启动了视频合成孔径雷达计划，并于2014年启动了成像雷达高级扫描技术计划，以开发太赫兹雷达应用技术。

在DARPA微系统技术办公室2017年6月启动的“电子复兴计划”中，面向高校的“联合大学微电子计划”设立了6个研究中心，其中一个是THz与感知融合技术研究中心，主要研究RF-THz通信、分布式计算、认知计算、先进集成电路架构等技术。

美国国防高级研究计划局在太赫兹领域的研究趋势

通过梳理DARPA 2000-2020年的R&D预算可以看出，DARPA在太赫兹领域的研究基本完成了基本原理和基本器件的探索，开始向应用基础技术发展。

从研究内容来看，DARPA早期对太赫兹应用技术的研究主要是为了找出应用所需的基础技术，而2004财年开始的太赫兹电子学研究则两次更名，一直持续到2015财年，主要探索太赫兹源、探测器、成像原理等基础技术。

从研究结果来看，很多面向太赫兹器件的项目已经基本完成了基础器件的研究，取得了不错的效果。目前，DARPA在太赫兹器件领域的研究重点是大功率真空放大器。目前，DARPA在太赫兹应用技术方面的研究主要集中在概念验证和性能指标分析阶段。总的来说，DARPA已经基本完成了太赫兹领域的基础技术探索和研究，开始再次进入应用研究阶段，如ASTIR项目，见表1。

表1美国国防高级研究计划局在太赫兹领域的研究

动词 当前研究重点

高性能太赫兹源、探测器及相关器件

从全球太赫兹领域的研究成果来看，高性能太赫兹源、探测器及相关器件仍然是重要的研究方向，也是阻碍太赫兹技术广泛应用的最重要因素。目前，等离子体、石墨烯等新兴技术已经在太赫兹领域得到应用，有助于提高器件性能。

太赫兹通信标准及演示系统

随着5G通信技术的快速发展，世界各国已经开始制定毫米波频段的无线通信技术标准和通信规则，下一步很可能进一步将频率提升到太赫兹频段。日本宣布将在2020年东京奥运会上实现100Gbit太赫兹高速通信；欧盟已将太赫兹通信列为6G通信研究计划；在WRC-19会议上，国际电信联盟设定议题1.15，研究0.275赫兹频谱的要求，建立0.275 ~ 0.450赫兹频段范围内的传播模型，进行业务间电磁兼容性分析，确定候选频段。2019年，世界无线电通信大会最终批准了275~296GHz、306~313GHz、318~333GHz和356~450GHz的137GHz带宽资源，可以无限制地用于固定和陆地移动业务。这是国际电联首次确定275千兆赫以上太赫兹频段地面有源无线电业务可用频谱资源，并将有源业务可用频谱资源上限提高到450千兆赫。

太赫兹器件集成与制造技术

现有太赫兹应用系统中使用的各种器件的大尺寸是阻碍太赫兹应用发展的重要因素，因此太赫兹器件的集成制造技术成为研究热点。高度集成的太赫兹系统可以降低系统的体积、质量和功耗，提高系统的适用范围。与传统CMOS技术兼容的低成本制造技术将降低太赫兹器件的成本，进一步促进其广泛应用。

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