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1、 217太赫兹（ THz） 技术及其在深空探测中的应用 余小游，李仁发，余方，谌晓明，李斌 （湖南大学 计算 机与通信学院，湖南 长沙 410006） 摘 要 ： 随着微纳器件工艺的长足进步，太赫兹波的 产生 、探测与发射已经成为可能，消除电磁波谱中的太赫兹空隙指日可待。太赫兹技术在深空探测遥感成像、深空 探测 通信方面的应用前景十分广阔。本 文在简要介绍太赫兹基本理论和技术（简称 THz 技术）的基础上，对其应用于深空探测的前景进行初步探讨。 1 引言 太赫兹波是指频率介于 0.1-10THz之间的电磁波（波长为），是处于毫米波和红外波之间的相当宽范围的电磁辐射区域，涵盖了毫米波（ 0.03
2、 0.3THz）高端（ 0.1 0.3THz）、亚毫米波（ 0.3 3THz）、远红外波（ 0.3 6TGHz）、中红外波（ 6 120THz）低端（ 6-10THz）的广泛波谱区域。太赫兹波虽然广泛存在于自然界，如人体热辐射、生物大分子的振动和转动频率、天体辐射到地球的电磁波中的大部分、 约 50%的宇宙空间光子能量 、 大量星际分子的特征谱线 等都处于太赫兹频段，但长期以来，由于缺乏有效的太赫兹辐射产生和检测方法，导致太赫兹频段的电磁波未得到充分的研究和应用，这个现象被称为电磁波谱中的 “太赫兹空隙 ”。 太赫兹波段处于电子学和光子学的交叉区域，太赫兹波的理论研 究也处在经典电磁场理论和量
3、子跃迁理论的过渡区，其性质表现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性，从而可广泛应用于波谱分析、成像和通信等领域。太赫兹波又被称为 T-射线，它在物理学、材料科学、医学和遥感成像、射电天文、宽带保密通信、深空探测测控通信方面具有重大的应用前景。 2 THz 技术的研究现状 太赫兹空隙现象存在多后，随着 60GHz以下电磁波频段的日益拥挤、以及应用的不断发展需要，太赫兹波段成为人们重点关注的对象，太赫兹科学和技术也成为倍 受各国政府支持 和 重视的先进科学 技术，欧、美、日、俄等国家和地区投入大量人力 、物力和财力进行相应的基础性理论研究和技术应用开发。 美国： THz技术在美国得到了很大的重视和发
4、展， 2004年被列为改变未来世界的十大技术之一，在 2006年被列为美国防重点科学，目前美国有多个政府机构和民间企业和机构正在积极研究此项技术，包括美国宇航局（ NASA）、美国国防部（ DARPA）、 NSF、 LLNL、 LBNL、 JPL、BNL、 ALS、 Bell、 IBM等，目前已经研究出的标志性成果是 0.225THz机栽雷达。 欧洲：欧洲主要有 STARTIGER 、 IST 、THz -Bridge、 Teravision、 NanoTera、 WANTED等机构，制定的研究主题有 THz 辐射成像（ 2004-2008），分子生物学研究（ 2004-2009），THz 空
5、间天文学（ 2005-2009 ）， THz 遥感（ 2005-2012），光子带隙材料（ 2004-2009），微机械探测器（ 2006-2015）年，标志性成果是研制出 THz远距离检测系统（ 2006年重大项目）。 日本：日本政府在 2005年 1月也把太赫兹技术确立为今后十年内重点开发的 “国家支柱技术十大重点战略目标 ”之首，并列入日本政府从 2006年开始到 2010年结束的第三期科学技术基本 计划予以支持。除此之外，日本还与欧美合作，成立ALMA计划，建设全球最大的射电天文亚毫米波干涉阵，计划投资 10亿美元，每年开展三方研讨会，该计划受到欧美日政府的高度重视。日本在研制太赫兹技
6、术的标志性成功是 2006年研制出1.5公里 THz无线通信演示系统，完成世界上首例THz通信演示。 中国：中国科学院物理所建立了国内第一台THz光谱测量系统 【 2】 ，并对 GaAs中载流子的超快弛豫过程以及 GaAs Au界面电场的快速变化过程进行了较深入的研究；由姚建铨院士带领的天 218津大学激光与光电子研究所在周期极化LiNbO3(PPLN)方面已经进行了大量的研究工作；西安理工大学超快光电技术研究中心在用超短激光脉冲触发光电导开关产生 THz射线方面也有一定的突破。中国科学院上海微系统与信息技术研究所的曹俊诚等在包括 THz物理、器件及其应用方面取得了一系列的研究成果。中国科学院
7、上海应用物理所和首都师范大学在利用 THz时域光谱技术研究材料光谱特性方面也取得一定的研究进展。 3 THz 技术的主要特点 2 太赫兹技术之所以引起人们广泛的关注，首先是因为该波段电磁波的重要性，物质的 THz光谱 (发射谱、透射谱和反射谱 )包含有非常丰富的物理和化 学信息，研究材料在这一波段的光谱对于物质结构的探索具有重要意义；其次， THz脉冲光源与传统光源相比具有很多独特的性质： (1) 瞬态性。 THz脉冲的典型脉宽在皮秒（ ps）量级，不但可以方便地对各种材料 (包括液体、半导体、超导体、生物样品等 )进行时间分辨的研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪音的干扰。目
8、前，其辐射强度测量的信噪比可以大于 1Om，远远高于傅立叶变换红外光谱技术 ，而且稳定性更好； (2) 宽带性。 THz脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可覆盖从 GHz到几 10 THz的范围，有利于在大的范围里分析物质的光谱性质； (3) 相干性。由相干电流驱动的偶极子振荡产生或由相干的光脉冲通过非线性光学差频产生的 THz波具有的时间、空间相干性， THz波的相干测量技术能够直接测量电场振幅和相位，无需使用 Kramers-Krong色散关系就可以提供介电常数的实部和虚部信息。因此，能够精确获得样品折射率和吸收系数； (4) 低能性。 THz光子有较低的能量 (4 me
9、V 1 THz，比 X射线的光子弱近百倍 )，不会在生物组织中：引起光损伤及光致电离。适合于对生物组织进行活体检查； (5) “ 指纹 ” 征性。大多数分子均有相应的THz波段的 “ 指纹 ” 特征谱，特别是许多有机分子在 THz波段呈现出强烈的吸收和色散特性，这是与分子的振动和转动能级有关的偶极跃迁相联系的。分子的偶极跃迁犹如人的指纹是千差万别的，研究材料在这一波段的光谱对于揭示物质的结构及性质有重要意义； (6) 凝聚态体系的声子吸收很多位于 THz波段，自由电子对 THz波也有很强的吸收和散射，THz技术将成为一个研究凝聚态材料中物理过程的很好的工具。 (7) 对黑体辐射 (热背景 )不
10、敏感。室温下，一般物体有热辐射，这一辐射大约对应 6 THz。从宇宙大爆炸中产生的宇宙背景辐射有一半都在光谱中的 THz部分。 4 THz 技术非常适合于深空探测通信 THz波在太空通信方面具有巨大优势， THz卫星太空成像和通信技术已成为各大国关注的重要领域 【 2】 。在信息技术方面， THz波收发机的原理试验已经开展，人造卫星上搭载的 THz探测器已成功地绘制了地球上海洋的温度分布图，其作为宽带无线通讯的一种手段也正在研究之中。THz 频率位于红外线和高频无线电 (主要用在移动电话和其它无线通信系统中 )之间，由于该频率是目前手机通信频率的 1 000倍左右，是很好的宽带信息载体，特别适
11、 合作卫星间、星地间及局域网的宽带移动通讯。 太赫兹波特别适合于深空探测通信，这是因为：（ 1）在太空环境中，太赫兹波可以无损耗地传输，用很小的功率就可以实现远距离通信，而且，相对于光通信而言，太赫兹波束较宽，容易对准，量子噪声较低，天线系统可以实现小型化和平面化；（ 2）太赫兹波存在着相对透明的大气窗口（ 350 m、 450 m、 620 m、 735 m、 870 m等波长附近）；而且，与微波通信相比，太赫兹波束较窄，波束方向性好，可实现外差式接收，可用于实现月地间的定点保密通信或大容量的多媒体无线通信传输；（ 3）当 飞行器（导弹、宇宙飞船、卫星返回舱、月球探测采样返回器等）重返大气层
12、时，由于空气摩擦产生高温，飞行器周围的空气被电离而形成等离子体，使得普通的通信遥测信号迅速衰减，造成信号中断，此时，太赫兹波是唯一有效的通信工具，其理由是：等离子体中的电子在其平衡位置上以一个特征频率fp振动，且随电子密度 Ne的增加而增高，当通信系统工作频率 f大于 fp时，等离子体可看作是低耗介质，电磁波可穿透等离子体。当飞行器重入大气层时，其周围浓密的等离子体的特征频率迅速增高达到光谱信号频率，普通通信系统的工作频率 f将远小于此时的等离子振 荡频率 fp，通信信号迅速被等离子体的谐振吸收而迅速衰减，造成通 219信中断；若以太赫兹波作为通信载波，则其工作频率 f始终大于等离子体的谐振频
13、率 fp，太赫兹载波信号仍然可以穿透电离层，使通信继续畅通；（ 4）与中、近红外线相比较，低端太赫兹波（亚毫米波段）具备很强的烟雾、云层、非金属物质穿透能力，利用太赫兹波的这一特性，可制造高分辨率、全天候的导航系统，实现浓雾中的导航和飞机着陆指挥；（ 5）利用亚毫米 THz波方向性强、能量集中的特点，可制作高分辨率的战场雷达和低仰角跟踪雷达；利用强流相对论电子束，能产生千兆瓦级的亚毫 米太赫兹波脉冲功率，这种超大功率的激光武器产生的波束能穿透等离子体，使进入大气层的导弹引爆或干扰其内部的电子设备使之失灵（致盲）。 5 THz 技术在深空探测的应用前景 （ 1）应用于月球车 根据上面对 THz技
14、术的分析可见，太赫兹波非常适合于月球车通信系统，主要原因有：首先，THz波可在地球外层空间中近乎无损耗地传播，用很小的功率即可实现远距离通信通信，这是月球车与空间站、月球车与卫星之间、天体之间、卫星星际通信的重要发展方向；其次，可利用太赫兹波的大气窗口实现月球车与地球站之间的月地通信；第三，可用太赫兹波穿 透等离子体的特性，实现月球车探测标本返回舱的测控通信。 此外，太赫兹波还可以扩展月球车探测功能：不同物质在太赫兹波谱区域具有不同的吸收和色散性质，很多凝聚态物质分子的振动和转动能级落在太赫兹波段，可以通过太赫兹光谱测量获得其特征光谱，用于区分材料的结构和种类等；利用此特性可实现月球车对月面物
15、质的实时探测。利用太赫兹波探测技术，可扩展月球车对太空的探测分析功能，如分析宇宙背景辐射中的太赫兹光谱、星系和星系际大气分子特征谱、行星和小星体的大气动力学等，大大提高探月工程的效率。 （ 2）增强深空探测器的遥感成像能力 THz成像是信号很重要的一类应用 【 3】 。目前的成像系统技术从成像方式上可以分为被动成像和主动成像两类，而主动成像又可以分为二维成像和三维层析成像被动成像主要是以自然界物体发出的黑体辐射以及热背景的辐射作为信号最初的成像形式是利用被动式亚毫米波传感成像，在太空探索中已经有几十年的应用历史。这些成像系统通常是搭载在人造卫星上，或是建置在寒冷的水蒸气含量极低的南极地区。欧洲
16、航天局 (EsA) 投巨资开发在 THz 波段工作的被动CCD摄像机，在 0.25THz和 0.3THz频率上获得的THz图像可以清晰地辨识隐藏在被 成像人衣服下面的物体，主动成像是由 THz源照射目标，然后检测反射或透射过目标的信号；主动成像可以使THz信号的强度提高几个数量级，因而降低了对接收器的灵敏度要求。主动成像系统可以用连续波 (CW)信号源，也可以用脉冲波源照射目标最早的 THz主动成像系统使用 CW气体激光器照射目标，使用热辐射探测器或焦热电摄像机成像 。由于脉冲 THz成像系统较 CW系统具有高得多的信噪比性能，可以进行宽带检测和宽带频谱分析，因此受到了普遍的重视。第一个 THz脉冲二维成像系统是 1995年由 Bell实验室的 Hu和 Nuss等建立的，该 系统基于 TDS技术，使用光可开启光导天线作为 THz脉冲源和检测器。之后， wu等利用二维电光晶体 (EO)采样的 k脉冲检测技术，提高了图像获取的速度。 Jiang等人利用脉冲技术进行
