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太赫兹技术发展现状

2020-10-20 16:34:11 来源:

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[摘要]20世纪80 年代以来,随着一系列新技术、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迅速发展,并掀起一股太赫兹研究热潮。2004 年,美国麻

20世纪80 年代以来,随着一系列新技术、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迅速发展,并掀起一股太赫兹研究热潮。2004 年,美国麻省理工学院评出了“改变未来世界的十大技术”,太赫兹技术是其中之一;2005 年,日本政府列出了“国家支柱十大重点战略技术”,太赫兹技术名列榜首;欧洲、澳大利亚等国政府、研究机构、大学、企业纷纷投入太赫兹技术研发的热潮中。yj7安检之家

一、太赫兹技术概述yj7安检之家

太赫兹波指频率在0.1THz(1012Hz)~10THz范围的电磁波(也有0.3~10THz 的说法),波长大概在0.03~3mm 范围内,介于微波与红外光之间。太赫兹波是20 世纪80 年代中后期才被正式命名的,此前统称为远红外射线。yj7安检之家

太赫兹波处于电子学与光子学的中间过渡区域,具有独特的优势:yj7安检之家

(1)相比微波,太赫兹波的频率高、带宽大、波束发散角小,可以承载更高频率的调制信号,大幅提高通信速率、雷达分辨率。yj7安检之家

(2)相比红外光,太赫兹波的透射性强,对大部分干燥、非金属、非极性材料都有较好的穿透能力,可进行透视成像、无损探测,以及在较恶劣气象条件下成像等。yj7安检之家

(3)频谱“指纹”特性。大多数分子的分子振动和转动频率都处在太赫兹频段,因此利用太赫兹波与分子共振,可以有效识别不同的物质组成和含量,太赫兹波在危险品探测、物质识别、医学检测等领域具有一定应用潜力。yj7安检之家

(4)光子能量低,生物兼容性好。1THz 电磁波的光子能量为4.14meV,远低于可见光、紫外光,是X 射线的数百万分之一,不会产生电离辐射。低功率太赫兹波可直接照射生物组织而不产生伤害。yj7安检之家

二、太赫兹基础技术发展现状yj7安检之家

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、探测太赫兹波的各类探测器、传输/ 调制太赫兹的各种器件等。yj7安检之家

(一)太赫兹源yj7安检之家

目前太赫兹源主要有量子级联激光器、真空太赫兹器件、加速器太赫兹源等。yj7安检之家

1. 量子级联激光器yj7安检之家

量子级联激光器是利用Ⅲ–V族超晶格材料开发的紧凑型半导体光源,最初用于产生中红外波,自2002 年起,开始应用于太赫兹频段。目前,量子级联激光器在1~5THz 范围内具有优异的性能,也是唯一在该频段具有高输出功率的紧凑型光源,可产生功率大于1W 的激光,用于远场传输、频率梳和脉冲发射等。尽管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冷却器实现。yj7安检之家

2. 真空太赫兹器件yj7安检之家

真空太赫兹器件可将储存的电能转化为加速电子束的动能,借助交互区的电磁波导或空腔将动能转换成电磁场能,主要类型包括行波管、速调管、磁控管和返波管等。由于功率密度的限制,真空太赫兹器件目前主要在0.22~1.0THz 工作,功率为1MW~10mW。未来瓦级真空太赫兹器件的发展趋势为能够克服大气衰减,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、非侵入性医疗诊断、材料表征、射电天文学研究等。yj7安检之家

3. 加速器太赫兹辐射源yj7安检之家

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,产生波长在真空紫外到X 射线频段的电磁波。加速器辐射源的主要优点是具有独特的光谱亮度、功率、极值场和脉冲能量。加速器太赫兹源已在全球范围内得到广泛使用,最常用的是同步红外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,而自由电子激光器主要用于化学、生命科学等领域,如研究稀释系统或单个分子的红外光谱。yj7安检之家

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