太赫兹技术的发展现状及应用前景分析-王忆锋.doc

第 23 卷第 1 期光电技术应用Vol .23, No .12008 年 2 月ELECT RO -O PT IC T ECHNO LOG Y APP LICAT IO NFebruary .2008文章编号:1673 -1255(2008)01 -0001-04太赫兹技术的发展现状及应用前景分析王忆锋, 毛京湘(昆明物理研究所, 云南 昆明 650223)摘 要:简要介绍了太赫兹辐射源和太赫兹探测器, 特别是 T Hz 量子级联激光器(Q CL)和 T Hz 量子阱红外光子探测器 (Q WIP)的原理、特点及研究现状.分析了太赫兹技术工程应用前景及限制因素.指出作用距离是决定太赫兹技术应用的关键因素之一.如果太赫兹辐射在大气对流层内传输时的衰减问题不能得到有效解决, 那么太赫兹技术在地面或海上的应用可能受到严重制约.基于机载或星载平台的太赫兹雷达或通信, 则具有诱人的应用前景.关键词:太赫兹;太赫兹辐射源;太赫兹探测器;应用中图分类号:O441 .4文献标识码:AAnalysis on Development Status of Terahertz Technology and Application ProspectWANG Yi-feng , MAO Jing-xiang(K unming I nstitute of Physics , K unming Y unnan , 650223 , China)Abstract :A brief overview of TH z sources and THz detectors , especially the THz quantum cascade lasers (QCL) and THz quantum-w ell infrared photodetectors (QWIP),and their characteristics are presented with emphasis on their basic principle and recent research progress .The prospects and limitations of THz technology in application are also analyzed .It is pointed out that the distance is one of the key factors for application of THz technology . If the degradation of THz radiation during the transportation in atmospheric troposphere could not effectively be solved , the application of THz technology on the earth or sea w ill be seriously limited .THz radar or telecommu-nication based on airborne or satellite has a promising future .Key words:terahertz ;terahertz radiation source ;terahertz detector ;application电磁波谱中微波和红外之间的部分称为太赫兹为 T 射线.太赫兹波段一端落入远红外(far in-(Terahertz , THz)波或太赫兹辐射 , 太是英语词根frared)波段, 另一端落入亚毫米波段, 是光子技术与tera-的译音 ,其频率为 0 .1 10 THz(对应的波长范电子技术、宏观状态与微观状态之间的过渡区域 ,表围是 3000 30 m).如图 1 所示.太赫兹辐射又称现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性能.图 1 电磁波谱示意图, 太赫兹波段位于红外与毫米波之间, 频率范围在 0.1 10 T Hz 之间.收稿日期:2008 -01 -07作者简介:王忆锋(1963 -), 男, 湖南零陵人, 北京理工大学计算机系工学士.高级工程师.主要从事器件仿真研究.2光 电 技 术 应 用第 23 卷由于缺乏有效的太赫兹辐射产生和检测手段,对于该波段的了解一直比较有限,使得太赫兹成为电磁波谱中最后一个未被全面研究的频率窗口 ,以致于它被称为电磁波谱中的 “太赫兹空隙(terahertz gap)” . 从过去二十多年前开始,随着太赫兹辐射源和太赫兹探测器的相继问世,太赫兹技术的研究和应用才有了较快发展,在医疗诊断、射电天文、物体成像、宽带移动通信等领域显示了重大的科学价值及实用前景,与此同时,其他方面的工程应用潜力也受到关注.1 太赫兹辐射的特点太赫兹辐射具有如下特点 1 ,2 : (1)太赫兹辐射是完全非电离的, 其光子能量较低 ,对大部分生物细胞无害 ,适合于对生物组织进行活体检查 .如利用太赫兹时域谱技术研究酶的特性,进行 DNA 鉴别等;(2)太赫兹辐射的频率极宽, 覆盖了各种包括蛋白质在内的大分子的转动和振荡频率.许多大分子在太赫兹辐射段表现出很强的吸收和谐振, 构成了相应的太赫兹“指纹” 特征谱 , 这些光谱信息对于物质结构的研究很有价值 ;(3)太赫兹辐射可以透过各种生物体 、电介质材料以及气相物质 ,这些介质在太赫兹辐射段具有丰富的吸收和色散性质, 通过测量并分析样品的太赫兹信号便可以获得关于材料中的物质成分和物理、化学以及生物学信息 .另外 , 太赫兹辐射可无损穿透墙壁、布料 ,使其可以在某些特殊领域如安全检查等方面发挥作用;(4)太赫兹辐射的频带宽度是微波的 1 000 倍 , 是很好的宽带信息载体, 特别适合局域网的宽带无线移动通信;(5)太赫兹辐射的时域频谱信噪比很高.目前 , 对太赫兹辐射强度测量的信噪比可大于 1010 , 通过采样测量技术, 能够有效地防止背景辐射噪音的干扰,这使得太赫兹非常适用于成像应用 ;美国国防高级研究计划署(DA RPA)资助的一个项目名称就是太赫兹焦平面成像技术(Terahertz Im aging Focal-plane-array Technology).2 太赫兹技术应用的关键器件太赫兹技术涉及激光器、材料生长、器件设计、光学、制冷、微电子及软件等众多学科, 属典型的交叉前沿领域.其应用的关键器件主要包括太赫兹辐射源和太赫兹探测器.2.1 太赫兹辐射源 3-6由于目标自身的太赫兹辐射信号微弱, 故目前的多数应用场合需要太赫兹辐射源.这一点与雷达相似,而与被动红外系统有别.太赫兹辐射源可以分为下面 3 类 :(1)基于高能加速器的太赫兹辐射源这类辐射源可能主要适合于学术研究或民用. (2)基于光学方法的太赫兹辐射源产生太赫兹辐射的光学方法最早是利用高压汞灯 .高压汞灯的光谱分布形状与温度为 4 000 K 的黑体辐射相似, 在 0 2 THz 范围内的输出功率约有 70 w .目前基于光学方法的太赫兹辐射源主要包括:太赫兹气体激光器 .气体激光器可以获得上百毫瓦的输出功率 ,并且已经实现产品化 .如国外的 SIFIR-50 2 .5 THz 光抽运太赫兹激光器已搭载于 NASA 的A URA 卫星.但这种辐射源不是连续可调的, 而且通常需要较大的气体腔和数百瓦的能量输入, 在体积、质量、效率、可靠性、可维护性、工作寿命以及频率稳定性等方面尚有可改进之处.利用超短激光脉冲的光电导 、光整流及等离子体四波混频等方法产生太赫兹辐射 .利用超短激光脉冲的方法产生太赫兹辐射 ,具有超宽带、脉宽窄、峰值功率高等优点, 缺点是时间相干性较差 ,不可连续调谐, 转换效率较低 ,平均功率在纳瓦至微瓦数量级 ,不利于对其进行探测.利用非线性光学差频技术产生太赫兹辐射 .与晶格振动有关的参量振荡技术产生太赫兹辐射 .其中第 、两种方法可以产生连续可调谐的单频太赫兹辐射, 并且具有较高的输出功率,正朝着高效率、大能量、结构紧凑、简单连续调谐、室温稳定运转的方向发展.(3)基于电子学方法的太赫兹辐射源这类方法主要包括 :利用真空电子学方法产生太赫兹辐射 . 主要包括太赫兹真空器件、电子回旋脉塞和自由电子激光等 .自由电子激光器可以产生平均功率第 1 期王忆锋等:太赫兹技术的发展现状及应用前景分析3数百瓦、峰值功率几千瓦的太赫兹辐射 ,是目前所有太赫兹辐射源中输出能量最高的.但它造价昂贵、体积庞大,需要大型平台.利用半导体技术产生太赫兹辐射.量子级联激光器 (quantum cascade lasers ,QCL)可以产生毫瓦量级的辐射.它具有能量转换效率高、体积小、轻便和易于集成等优点, 近年来受到很大关注.QCL 概念首次出现于 1960 年.1994 年 , 在使用分子束外延(M BE)工艺研制的耦合量子阱结构中得到了量子级联激光 .通过能带设计 , QCL 的输出范围逐渐进入了太赫兹波段.2002 年 , 世界上第一个太赫兹QCL 在美国 Bell 实验室问世 ,其频率为 4 .4 THz , 温度 50 K , 脉冲功率为 20 mW .随后,不少国家都开展了这方面的研究工作,并采用了不同的半导体材料.2004 年, 美国 M IT 研制的太赫兹量子级联激光器频率为 2 .1 THz , 温度 137 K , 脉冲功率为 20 mW ,次年实现了太赫兹成像 .在目前及以后还没有达到室温的情况下, 太赫兹 QCL 需要低温制冷 .另有报道, 英国 Rutherford 国家实验室和欧洲航天局合办的 ThruVision 公司, 专门从事太赫兹成像技术的商业开发 ,该公司推出的一种被动式太赫兹成像仪 ,具有不需要太赫兹辐射源、并可实时成像的特点 .日本东京大学学者研制了一种太赫兹显微分光镜,该系统没有太赫兹辐射源 ,通过扫描一个量子霍尔探测器的磁场来分辨极微弱太赫兹辐射的频率,其工作温度为 4 .2 K .在太赫兹波段, 一般的聚合物(例如高密度聚乙烯、聚四氟乙烯、聚脂薄膜等)窗口具有高吸收率.参考文献 8 介绍了一种制造应用于太赫兹频率的低损失窗口的方法 .该窗口用高阻硅材料制成.通过在基片上刻蚀出深度为 /4 的矩形凹槽作为抗反射层,来克服由于基片和自由空间之间阻抗失配造成的反射损失.2.2 太赫兹探测器 9由于太赫兹辐射源输出功率低, 频率范围内热辐射背景噪声大、水蒸汽衰减严重等因素的影响, 从目标反射回来的太赫兹辐射信号更低, 这就要求太赫兹探测器具有很高的探测灵敏度和频率分辨率 . 目前探测太赫兹辐射的方法主要有热辐射探测法、傅里叶变换光谱法、时域光谱法、外差式探测法以及太赫兹量子阱红外光子探测法(THz quantum wellinfrared photodetector , THzQWIP).2004 年面世的 THzQWIP 属窄带探测器 ,其工作原理与 QWIP 相同, 具有响应速度快、工艺成熟、体积小、易于集成等优点 .目前红外波段的 QW IP 结构已经开始实用化 .QWIP 的理论和方法可以推广到 TH zQW IP 的设计中 , 其核心问题是求解载流子在生长方向上的输运问题 .目前常用的方法有 3种 : 基于量子输运理论的非平衡格林函数方法 . 基于玻尔兹曼方程的蒙特卡罗方法.基于准微观散射模型的率方程方法.有研究者认为, 第 种蒙特卡罗法比较适合于QWIP 以及 THzQWIP 的设计.THzQWIP 工作在偏压状态, 暗电流对器件性能的影响较大, 抑制暗电流对于 THzQWIP 性能的提高有着重要影响 .由于 THzQWIP 从束缚态到连续态的能量间距非常小 , 为了抑制暗电流, THzQWIP 需要在非常低的温度下工作, 为此离不开深低温制冷技术的支持.目前已经可以得到质量高、稳定性强、均匀性好的大面积 GaAs/AlGaAs 异质半导体材料 ,这种材料既可以制作太赫兹辐射源 ,也可以制作太赫兹探测器 .3 太赫兹技术的工程应用前景分析对于工程应用而言 ,除了要考虑诸如工作温度、太赫兹波输出稳定性以及带宽等因素外 , 太赫兹系统能否远距离使用无疑具有决定性的影响 .以太赫兹成像系统而论, 如果其作用距离尚不及目前的红外成像系统, 影响作用距离的主要因素是大气对流层内水蒸汽对太赫兹辐射的吸收.太赫兹辐射由于水蒸汽影响在空气中将经受很强的衰减 , 其损耗约为 100 db/km .表 1 列出了 4 种不同频率的太赫兹单脉冲在海平面标准大气层中的水平路径传输距离 .文献 2 中指出, 0 .6 THz 的太赫兹波功率作为传输距离的函数, 与指数衰减非常接近.如果这是一种带有普遍性的规律 , 那么对于太赫兹技术的地基或海基应用无疑将构成一种严重制约 .所幸的是,上升到一定高度以后 ,水蒸汽吸收对太赫兹辐射传输距离的影响可以大幅度减小 .90 % 以上的水蒸汽集中在大气的对流层 10 ,对流层的高度视纬度和季节而定 , 大约在 10 15 km 之间, 在4光 电 技 术 应 用第 23 卷中纬度区平均为 10 12 km .在对流层之外 ,因为水蒸汽含量几乎为零 ,在很宽的频率范围内已不存在大气衰减 , 故以能量为 20 J 的太赫兹脉冲再配以相应的光学系统 ,就可以实现空空之间及空天之间的远程通信.事实上 ,国际通信联盟已指定 200 GHz 的频段为下一步卫星间通信之用 .进一步的发展必将进入 300 GHz 以上的范围,这就是太赫兹通信.表 1 几种频率和能量的太赫兹单脉冲在海平面标准大气层中的水平路径传输距离太赫兹辐最大距离/ m射频率/ T Hz能量=20 J能量=0.5 J0 .3416009000 .4110006000 .666504500 .83340230置于大气对流层外机载或星载平台上的太赫兹雷达与微波雷达相比 ,可以探测更小的目标, 实现更精确的定位 ,有望成为未来高精度雷达的发展方向之一 .此外 ,太赫兹在反隐身和精确制导方面发展潜力值得关注.而由于受大气消光作用的影响, 地基或海基太赫兹雷达的发展前途尚不明朗.可以预料的是,一旦太赫兹技术应用于军事领域,反太赫兹技术也将应运而生.大气本身是一种选择性辐射体, 对于红外系统而言, 众所周知 ,这种选择性形成了若干被称为“大气红外窗口” 的波段 , 例如 3 5 m 、8 12 m 等 . 利用窗口波段作为红外辐射的传播通道, 可以使红外系统的作用距离最大化.与之对应的是, 在 1 .6 THz以下及10 THz以上也存在着一些大气太赫兹窗口 2 ,只是其宽度较窄.利用这些大气窗口能否改善太赫兹辐射的传输特性 ,提升作用距离 ,或许值得留意 .利用飞秒激光脉冲, 激励各种非线性介质 ,如半导体、非线性晶体、聚合物甚至金属表面, 都可以产生脉冲太赫兹辐射 11 .在这些介质中产生的太赫兹辐射都是基于其二阶非线性过程 .作为地球上普遍存在的各向同性物质空气 ,其偶数阶非线性系数为零 ,故在空气中发生的最低阶非线性过程为三阶非线性过程.利用飞秒激光脉冲通过空气中的三阶非线性过程, 可以产生高强度太赫兹波.而作为此非线性效应的逆过程 , 也可以利用空气作为探测介质 ,实现太赫兹辐射脉冲的探测 .文献 12 介绍了一种全光学全空气的方法 , 利用可见光在空气中的低衰减(0 .01 db/km)特性 ,通过将可见光脉冲发送到远处被测物体附近来实现远距离的太赫兹产生和探测 .这种方法的应用前景值得关注.4结 束 语太赫兹技术涉及物理学、半导体、光学、材料科学、信号处理、激光技术、制冷技术、微波毫米波电子学等多种学科 ,是一个典型的交叉前沿领域.目前,在欧美俄日韩等国有数十所大学开展了太赫兹研究 .美国航天局等机构都对太赫兹研究给予了大规模的投入;已有超过 10 家的美国企业在太赫兹辐射相关产品的开发方面取得进展 ,如 Picometrix 公司开发的太赫兹成像系统已在 NASA 用于航天飞机外壁薄板内部缺陷检查 , 波音公司等也正在大力研发用于安全领域的太赫兹产品 13 .太赫兹成像技术的发展至今只有十几年的时间 ,总体上看, 多数应用还处在实验室阶段 ,真正的大规模工程应用还没有开始 .目前资料中提到的太赫兹成像多为近场成像 , 尚未见有远距离成像的报道 .作用距离是决定太赫兹技术工程应用前景的关键因素之一.如果太赫兹辐射在大气对流层内传输时的衰减问题不能得到有效解决, 那么太赫兹技术在地面或海上的应用可能受到严重制约.相比之下,基于机载或星载平台的太赫兹雷达或太赫兹通信,则具有诱人的应用前景 .参考文献 1 Rainsford T , M ickan S P , Abbott D .T-ray sensing appli-cations:review of global developments J .SP IE , 2005, 5649:826 -838. 2许景周, 张希成.太赫兹科学技术和应用 M .北京:北京大学出版社, 2007 . 3马成举, 陈延伟, 向军, 等.太赫兹辐射产生技术进展 J .激光与光电子学进展, 2007 , 44(4):56 -61 . 4曹俊诚.太赫兹量子级联激光器研究进展 J .物理,2006, 35(8):632 -636. 5 王骐, 迟欣, 李琦.太赫兹自由电子激光器的成像原理及进展 J , 激光技术, 2006 , 30(6):643-646 .(下转第 41 页)第 1 期时成文等:一种新型光电设备响应时间与探测概率自动测试系统41概率, 测试结果准确可靠 ;测试过程无需人员干预 ,参考文献系统全部自动完成, 自动化程度高 , 可节省测试时间.大量的测试试验验证了该系统的实用性和有效 1何照才.光电测量 M .北京:国防工业出版社, 2002 .性.通过更换不同的激励源,可在紫外、可见光、红外 2郑红, 隋强强, 周星.DSP 应用系统设计实例 M .北等波段进行测试 ,系统具有较好的扩展性.京:北京航空航天大学出版社, 2008 .(上接第 4 页) 6孙博, 姚建铨.基于光学方法的太赫兹辐射源 J , 中 9国激光, 2006, 33(10):1349 -1359 . 7Sakuma H , Ikushima K , K omiyama S , et al .Spectral 10measurement of weakT Hz w aves with quantum Hall de-tectors J .Infrared Physics & Technology , 2006, 48 : 11235-239 . 12 8Wagner-Gertner A , 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