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被美国列为改变世界的十大技术之一的太赫兹THz详解

2019-09-06 作者:ROB
导语:“太赫兹”(THz)是单位Terahertz的英译,是指100 GHz~10 THz的电磁波,如上图所示。在电磁频谱上,太赫兹波段两侧的红外和微波技术已经相对成熟。但涉及太赫兹波段的研

“太赫兹”,即Terahertz,是THz的单位名称,指100 GHz~10 THz的电磁波,如上图所示。THz在2004年就被美国技术评论评为改变世界的十大技术之一。

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下一篇,我们会根据中国电科姜总的演讲整理《太赫兹产业化发展与测试技术》,需要完整PPT的请关注机器人网公众号,加微信Aspencore6,发送:THz,或:太赫兹。

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本文先介绍太赫兹的有关技术。

在电磁频谱上,太赫兹波段两侧的红外和微波技术已经相对成熟。但涉及太赫兹波段的研究结果和数据却非常稀少,在此频段上,既不完全适合用光学理论来处理也不完全适合微波的理论来研究,另外在很大程度上受限于有效的太赫兹源和探测器,因此这一波段一度被称为Terahertz Gap“太赫兹鸿沟”。近年来,激光器的发展为THz的产生提供了稳定,可靠的激光光源;同时THz的检测技术也取得了蓬勃的发展,

,使太赫兹技术的应用成为可能。如今,太赫兹技术在医疗诊断、天文、物体成像、工业探伤、宽带移动通信,雷达探测等众多领域显示了重大的科学价值及实用前景

太赫兹的主要特性:

1.相干性:

由于它是由相干电流驱动的电偶极子振荡产生,或又相干的激光脉冲通过非线性光学频率差频产生,因此有很好的相干性。THz的相干测量技术能够直接测量电场振幅和相位,从而方便提取检测样品的折射率,吸收系数等。

2.低能性:

THz光子的能量只有10^-3量级,远小于X射线的10^3量级,不易破坏被检测的物质,适合于生物大分子与活性物质结构的研究。

3.穿透性:

THz辐射对于很多非极性物质,如塑料,纸箱,布料等包装材料有很强的穿透能力,在环境控制与安全方面能有效发挥作用

4.吸收性:

大多数极性分子对THz有强烈的吸收作用,可以用来进行医疗诊断与产品质量监控。

5.瞬态性:

相比于传统电磁波与光波,THz典型脉宽在皮秒量级,通过光电取样测量技术,能够有效抑制背景辐射噪声的干扰,在小于3THz时信噪比达10^4:1。

6.宽带性:

THz脉冲光源通常包含诺干个周期的电磁振荡,单个脉冲频宽可以覆盖从GHz至几十THz的范围,便于在大的范围内分析物质的光谱信息。

太赫兹发射源:

 

发射源可大致分为四大类:

一.基于光子学的太赫兹发生器(包括光电导天线和光整流等)

A:光电导天线:

在光电导半导体材料表面淀积上金属电极制成偶极天线结构,金属电极对光电导半导体施加偏压,当超快激光打在两电极之间的光电导材料上时,会在其表面瞬间(10^-4s量级)产生大量电子空穴对。这些光生自由载流子会在外加偏置电场与内建电场的作用下加速运动从而在光电导半导体材料表面形成顺变的光电流。这种快速的,随时间变化的电流会向外辐射出太赫兹脉冲。

B:光整流:(最为广泛使用)

光整流是是产生太赫兹脉冲的另一机制,它是一种非线性效应,当同频率的两束强激光在非线性介质中传输时,在介质二阶非线性效应的作用下会发生差频振荡效应,进而产生一个与光强成正比而与频率无关的直流低频极化电场, 与非线性介质的电光效应互为逆过程。

众所周知,两束光束在线性介质中可以独立传播,且不改变各自的振荡频率。然而在非线性介质中,它们将会发生混和,从而能产生和频振荡及差频振荡现象。由此在出射光中,除了和入射光具有相同频率的光波以外还有其他频率(例如和频)的光波。而且当一束高强度的单色激光在非线性介质中传播时,它会在介质内部通过差频振荡效应激发出一个恒定(不随时间变化)的电极化场。我们就把这种现象称为光学整流效应。如果入射到非线性介质中的是超短激光脉冲,则根据傅立叶变换理论可知,一个脉冲光束可以分解成一系列单色光束的叠加,这些单色光将会在非线性介质中发生混合。其中,由差频振荡效应会产生一个低频振荡的时变电极化场。这个低频极化电场进而辐射出超快THz波,这是因为所辐射出的电磁波的频率上限与入射激光的脉宽有关,如果入射激光的脉宽在亚皮秒量级,则辐射出的电磁波的频率上限就会在太赫兹量级,由此这种光整流效应被称作为亚皮秒光整流效应,或太赫兹光整流效应,太赫兹电场强度与泵浦飞秒脉冲的强度包络成正例变化,即泵浦飞秒脉冲峰值功率越高,辐射出的太赫兹波电场强度越高。用光整流产声THz波有很多优点,比如可以产生较高的辐射频率,产生的辐射有较宽的频谱带宽,可以通过对介电材料的周期性极化来控制所产生太赫兹脉冲的波形等等。

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c):空气产生太赫兹

d):太赫兹参量源

二.半导体太赫兹源(包括太赫兹量子级联激光器等)

半导体激光可能是发射窄波段的太赫兹辐射的终极技术。最早的这种激光器是 20年前在浅掺杂的p型Ge中,使用正交的电磁场引起空穴数反转形成的。通过改变外加磁场和压力的方法,可以改变输出激光的频率。通过施加一个非沿轴向的强压,引起半导体Ge的空穴数反转也可以产生太赫兹激光。但是这些激光有一些固有的缺陷,如效率低、输出功率低,需要低温冷却以保证激光条件等。现在,利用一定的半导体生长工艺或电子射频上转换技术、光频下转换技术,可以使一些半导体激光器,如太赫兹量子级联激光器、GaAs肖特基二极管倍频链、耿氏振荡器等都能够输出太赫兹辐射

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三.基于真空电子器件的太赫兹辐射源

(纳米行波管及其阵列、返波振荡器、纳米速调管及其阵列、回旋管、自由电子激光器、相对电子注或等离子体电子器件等)

采用先进的微细加工技术,如LIGA技术(LIGA是采用X射线刻蚀和电铸相结合的技术)

、MEMS微电子机械系统加工技术等,将固态加工技术引入到真空电子技术领域之中,可以制造出能作为太赫兹辐射源的微型真空电子器件(μVED)。这些器件克服了普通三、四极管的渡越时间效应,而且如果利用微波管分布作用原理,就可使微波管的工作频率达到太赫兹频段,成为一种非常具有应用前景的太赫兹辐射源。具有噪声低、增益高、效率高、体积小、重量轻、性能稳定等特点。但是,它们在某些方面也存在着一些问题,如射频窗口、波导元件、磁聚焦问题、阴极和电子枪及器件的装配等,而这些问题又直接限制了微型真空电子器件的性能指标。目前,在太赫兹频段对于微型真空电子器件的研究还处于研究阶段,它将是一种非常具有应用前景的太赫兹真空辐射源。

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四.相对论电子元件的太赫兹辐射源

(罗奥管,相对论电子束,等离子体波尾场太赫兹辐射,储存环型太赫兹辐射源等)

太赫兹探测:

 

和太赫兹辐射源一样,太赫兹探测也是太赫兹科技中的另一项关键技术,是太赫兹技术投入到实际应用的另一关键环节。由于目前太赫兹辐射源的功率普遍都较低,因此发展高灵敏度、高信噪比的太赫兹探测技术尤为重要。太赫兹的探测方法比较多,不过依据太赫兹辐射的形式不同,可以将它们大致分为太赫兹脉冲辐射的探测和太赫兹连续波信号的探测两类。

1:太赫兹脉冲辐射的探测

A:光电导取样

光电导取样是基于光导天线(photoconductive antenna, PCA)发射机理的逆过程发展起来的一种探测THz脉冲信号的探测技术。如要对THz脉冲信号进行探测,首先,需将一个未加偏置电压的PCA放置于太赫兹光路之中,以便于一个光学门控脉冲(探测脉冲)对其门控。其中,这个探测脉冲和泵浦脉冲有可调节的时间延迟关系,而这个关系可利用一个延迟线来加以实现;尔后,用一束探测脉冲打到光电导介质上,这时在介质中能够产生出电子-空穴对(自由载流子),而此时同步到达的太赫兹脉冲则作为加在PCA上的偏置电场,以此来驱动那些载流子运动,从而在PCA中形成光电流。最后,用一个与PCA相连的电流表来探测这个电流即可,如图3-1。其中,这个光电流与THz瞬时电场是成正比的。

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B:电光取样

电光取样技术具有极宽的频谱响应和很高的信噪比。此外由于其测量孔径大,

因而也可以用此项技术进行直接二维成像测量。其中,时分电光取样,即自由空间

电光取样是对太赫兹脉冲的时间波形进行取样测量的;而波分电光取样则是将太赫

兹脉冲的时域波形一次复制到被啁啾展宽的啁啾脉冲的各频率分量上,再通过对啁

啾脉冲的光谱测量得到太赫兹波形。

a:时分电光取样

电光取样测量技术基于线性电光效应:当太赫兹脉冲通过电光晶体时,它会发

生瞬态双折射,从而影响探测(取样)脉冲在晶体中的传播。当探测脉冲和太赫兹

脉冲同时通过电光晶体时,太赫兹脉冲电场会导致晶体的折射率发生各向异性的改

变,致使探测脉冲的偏振态发生变化。调整探测脉冲和太赫兹脉冲之间的时间延

迟,检测探测光在晶体中发生的偏振变化就可以得到太赫兹脉冲电场的时域波形。

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自由空间电光取样太赫兹探测,如图3-3所示。图中的激光器为飞秒激光器,

当它所发出的飞秒激光脉冲激光分束器之后,分为探测脉冲和泵浦脉冲。泵浦脉冲是用来激发太赫兹发射极使其产生太赫兹脉冲,然后太赫兹脉冲又被离轴抛物面镜准直聚焦后,经半透镜照射到电光晶体之上,电光晶体的折射率椭球将会被其改变。当线偏振的探测脉冲在晶体内与太赫兹光束共线传播时,它的相位会被调制。由于电光晶体的折射率会被太赫兹脉冲电场改变,所以探测光经过电光晶体时,其偏振状态将会由线偏振转变为椭圆偏振,再经偏振分束镜(这里常用的是沃拉斯通(Wollaston)棱镜)分为s偏振和p偏振两束,而这两束光的光强差则正比于太赫兹 电场。使用差分探测器可以将这两束光的光强差转换为电流差,从而探测到太赫兹电场随时间变化的时域光谱来。利用机械电动延迟线可以改变太赫兹脉冲和探测脉冲的时间延迟,通过扫描这个时间延迟可得到太赫兹电场的时域波形。为了提高灵敏度和压缩背景噪声,可以采用机械斩波器来调制泵浦光,而后利用锁相探测技术,即可获得太赫兹电场振幅和相位的信息。

b:波分电光取样

为了提高采集速率,可采用并行数据采集,即波分电光取样,也可称其为啁啾脉冲光谱探

c:空气探测太赫兹

由于空气无处不在,所以空气传感器的最大优势在于能够灵活选择感测位置。

2:连续太赫兹信号的探测

对于连续太赫兹波的探测,最常用的热效应探测器,它们是基于热吸收的宽波段直接探测。不过它们需要冷却来降低热背景,这类常用的装置有液He冷却的Si、Ge和Inb测辐射热计。如果需要更高的频率分辨率时,则需采用另外的窄带探测方法。这类太赫兹波探测目前有电子探测器、半导体探测器等。其中,热效应探测器大都是基于热吸收效应,它们使用方便,但只能做非相干探测,不能获取相干太赫兹波的相位信息。电子探测器是基于电子学的变频技术,它们的特点是成本较低,结构紧凑。主要有测辐射热计,高莱探测器,热释电探测器,肖特基二极管,场效应晶体管。这些都是电学方面的问题。

太赫兹的应用:

 

1:太赫兹在国土安全与防恐的应用:

目前,太赫兹成像技术和光谱技术在国土安全领域已经发挥出了越来越大的积极作用。由于太赫兹的非电离性,及强穿透性,所以它能够在机场、车站等地对隐藏的爆炸物、违禁品、武器、毒品等危险物品提供远距离、大范围的预警。其中赫兹安检仪主要是利用人体和物品不同的温度差来检测,整个过程太赫兹安检仪不是向外辐射电磁波,而是只是被动接收人体发射出的太赫兹波。因此是目前安检领域最安全、有效的方式,对人体是没有危害的。且成像分辨率小于5毫米,即一个蚂蚁大小的物体都能被辨识。未来可广泛用于机场、海关、高铁、地铁等领域。太赫兹的成像解析度虽然比不上X射线,但结合太赫兹对物质鉴别的特性,能够区分身上是否携带炸药或毒品。便携式的太赫兹安检仪已经处于后期研发测试阶段,有希望在20cm外自动快速检测危险物品,实时生成高清晰度三维图像。可以设想再过几年,将在在机场火车站安装大量太赫兹安检设备。

如图,G20上使用的太赫兹安检仪成像效果图:

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2:太赫兹在无损检测中的应用:

太赫兹脉冲成像技术被应用于缺陷的探测。通过逐点扫描的方法得到各个点的时域波形。然后分析波形的变化来判断缺陷的大小,形状,位置和种类。

3:太赫兹在医学成像与诊断的应用:

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4:太赫兹在军事上的应用:

同样在军事领域,太赫兹也有它独有的一面。例如,宽频太赫兹雷达能够对目标物体进行高分辨率的三维成像,而且它还能从光谱数据中提取出目标物成分的详细信息;在陆海、空、天,电磁五维战场中,太赫兹都可以对目标物进行对象识别。目前,军方所感兴趣的是太赫兹雷达的高分辨率成像,以及太赫兹被动成像系统。因为与毫米波雷达相比,太赫兹雷达具有低仰角、高精度等特点,这使得太赫兹雷达三维成像的分辨率要强于毫米波雷达。而太赫兹潜在的最大应用价值则在于它的光谱分析能力,它根据材料的分子结构的共振吸收,可以获得构成材料的组织成分的一些相关信息,由此太赫兹可用来作目标物的识别,而这是其他远距离探测方法所难以做到的。

5:太赫兹在通信的应用:

 

赫兹作为微波和毫米波的延伸,它所提供的通信带宽要远远大于毫米波。随着太赫兹辐射源和探测器的发展,以及太赫兹调制器和滤波器的问世,促进了太赫兹在通信领域的发展应用。可以预测在不远的将来太赫兹波技术将会在近距离通信(10m到100m以内)方面发挥出越来越大的作用。太赫兹用于通信可以获得10GB/s的无线传输速度,这比当前的超宽带技术快几百甚至1000倍之多,而且与可见光和红外相比它同时具有极高的方向性以及较强的云雾穿透能力。这就使得太赫兹通信可以以极高的带宽进行高保密卫星通信。由于太赫兹频段位于红外线和高频无线电(主要用于移动电话和其他无线通信系统之中)之间,并且该频率是目前手机通信频率的1000倍左右,所以它是很好的宽带信息载体,特别适合作卫星间、星地间及局域网的宽带移动通信。因此利用太赫兹电磁波进行无线电通信,则可以极大地增宽无线电通信网络的频带,可望使无线移动高速信息网络成为现实。工作在太赫兹频段的自由空间光(FSO)通讯系统可以将无线电波和可见光的优点结合起来,在浓雾天气中也可以高速传输数据。

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如图,太赫兹通信框图

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小结

太赫兹的独特性能给通信(宽带通信)、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像(无标记的基因检查、细胞水平的成像)、无损检测、安全检查(生化物的检查)等领域带来了深远的影响。由于太赫兹的频率很高,所以其空间分辨率也很高;又由于它的脉冲很短(皮秒量级)所以具有很高的时间分辨率。太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术由此构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。同时,由于太赫兹能量很小,不会对物质产生破坏作用,所以与X射线相比更具有优势。另外,由于生物大分子的振动和转动频率的共振频率均在太赫兹波段,因此太赫兹在粮食选种,优良菌种的选择等农业和食品加工行业有着良好的应用前景。太赫兹的应用仍然在不断的开发研究当中,其广袤的科学前景为世界所公认。

参考文献:

[1] 张清刚,周俊.光电导太赫兹天线及其研究进展[J].现代电子技术,2012,4(7):89-98.

[2] 邵立,路纲,程东明.光整流太赫兹及其研究进展[J].激光和红外,2008,9(9):872-875  

[3] 姚建铨等.太赫兹通信技术的研究与展望[J].中国激光,2009,36(9):2213-2239

 

 

 

 

 

 

 

整理
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