太赫兹技术发展与应用

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1、太赫兹技术发展与应用太赫兹技术发展与应用 陈陈 彦彦 二二0 0一三年六一三年六月月 电子科技大学电子科技大学 报 告 大 纲 太赫兹器件太赫兹器件 太赫兹波特点太赫兹波特点 太赫兹应用太赫兹应用 太赫兹源太赫兹源 太赫兹频率范围：0.1THz-10THz，波长范围:0.03-3mm, 处于毫米波与远红外波之间。 太赫兹定义太赫兹定义 太赫兹特性太赫兹特性 瞬态性和宽带性瞬态性和宽带性 相干性相干性 高穿透性高穿透性 水对它的强吸收性水对它的强吸收性 指纹光谱指纹光谱 低光子能量（低光子能量（4.14.1毫电子伏特，远低于毫电子伏特，远低于X X射射 线的光子能量）线的光子能量） 太赫兹的应用

2、太赫兹的应用 目前太赫兹的应用领域正在不断的目前太赫兹的应用领域正在不断的 扩大，从最初仅用于天文学研究，逐扩大，从最初仅用于天文学研究，逐 渐扩展到了人们生活的方方面面。渐扩展到了人们生活的方方面面。 例如：太赫兹通信、生物和医学例如：太赫兹通信、生物和医学 领域、全球环境检测、无损探伤、安领域、全球环境检测、无损探伤、安 检、太赫兹成像、太赫兹雷达等检、太赫兹成像、太赫兹雷达等 太赫兹应用太赫兹应用 太赫兹通信，频谱太赫兹通信，频谱很宽很宽，数据传输非常快。例如：德国卡尔斯鲁厄，数据传输非常快。例如：德国卡尔斯鲁厄 理工学院科学家日前开发理工学院科学家日前开发了了新的无线局域网技术，打破了

3、新的无线局域网技术，打破了WiFi网络网络 数据传输纪录，可让数据传输纪录，可让1公里外的用户以每秒钟公里外的用户以每秒钟40GB的速度下载数的速度下载数 据，这相当于据，这相当于10部部2小时的高清电影。其工作频率为：小时的高清电影。其工作频率为：240GHz 生物和医学领域：癌症诊断和治疗，生物和医学领域：癌症诊断和治疗，DNA探测，药物分析等探测，药物分析等 环境检测：环境检测：THz可以穿透烟雾，同时又可以检测出有害分子。可以穿透烟雾，同时又可以检测出有害分子。 太赫兹雷达具备发隐形能力，太赫兹雷达具备发隐形能力，THz波具有非常宽的频谱，可工作在波具有非常宽的频谱，可工作在 目前隐身

4、技术所能对抗的波段之外，因此它能探测隐身目标，以其目前隐身技术所能对抗的波段之外，因此它能探测隐身目标，以其 作为辐射源的超宽带雷达能够获得隐身飞机的图像。作为辐射源的超宽带雷达能够获得隐身飞机的图像。 宇宙探测宇宙探测 JUICEJUpiter ICy moons Explorer 欧航天局正在实施的大型行星 探测计划，用于探测木星及其 卫星。 预计发射时间：2022年 到达时间：2030年 搭载太赫兹仪器： 工作频段：1080-1275 GHz and 530-601 GHz 外差式光谱仪 宇宙探测宇宙探测 Herschel Space Telescope (0.48-1.91THz, l

5、unch in 2007) Sofia (US-Germany 0.3-665um,2006) Rosetta(ESA 562GHz,2004) THz对乘客进行安检 携 带 武 器 人 员 太赫兹成像 国土安全国土安全 对信封中的“炭疽热”粉末成像 3种毒品在不同频率下的成像结果 国土安全国土安全 太赫兹探测，除了成像外，由于一些分子的吸收谱处在太赫兹探测，除了成像外，由于一些分子的吸收谱处在THzTHz波段内，因此波段内，因此 可以通过成像与光谱分析相结合的方法进行探测。可以通过成像与光谱分析相结合的方法进行探测。 军事应用军事应用 癌变的人体肝脏病理切片 (a)为光学照片 (b)太赫兹脉

6、冲光谱成像 (c)太赫兹连续波成像 牙齿成像 左图：光学成像 右图：太赫兹成像 生物医学应用生物医学应用 太赫兹源太赫兹源 太赫兹源大体可以分为三类太赫兹源大体可以分为三类: : 基于真空电子学的太赫兹源基于真空电子学的太赫兹源 基于光子学的太赫兹源基于光子学的太赫兹源 基于半导体的太赫兹源基于半导体的太赫兹源 基于真空电子学的太赫兹源基于真空电子学的太赫兹源 自由电子激光器 基于真空电子学的太赫兹源基于真空电子学的太赫兹源 电子回旋管电子回旋管 基于光子学的太赫兹源基于光子学的太赫兹源 光整流太赫兹源 基于光子学的太赫兹源基于光子学的太赫兹源 光差频（光差频（DFGDFG）太赫兹源）太赫兹源

7、 基于光子学的太赫兹源基于光子学的太赫兹源 太赫兹波发生器太赫兹波发生器 基于光子学的太赫兹源基于光子学的太赫兹源 种子注入太赫兹波发生器种子注入太赫兹波发生器 半导体太赫兹源半导体太赫兹源 量子级联激光器量子级联激光器 各种太赫兹源产生的波的频段各种太赫兹源产生的波的频段 上图给出了目前常见太赫兹源，产生的太赫兹频率范围。上图给出了目前常见太赫兹源，产生的太赫兹频率范围。 金属波导耦合实验装置图 （1999年，McGowan研究小组利用该装置， 将THz波耦合进直径为240um的圆金属波导） 变形的平行平面金属波导 （用以改善圆和矩形波 导的色散问题，凹面结 构用以改善能量泄露） 太赫兹波导

8、太赫兹波导 金属线太赫兹波导金属线太赫兹波导 太赫兹波导太赫兹波导 介质空腔波导结构及其实验装置 太赫兹波导太赫兹波导 在在THzTHz频频 段也可段也可 用全介用全介 质作为质作为 波导，波导， 介质空介质空 腔波导腔波导 的传输的传输 原理与原理与 传统光传统光 纤类似，纤类似， 也称为也称为 THzTHz光纤。光纤。 光子晶体太赫兹波导光子晶体太赫兹波导 光子晶体太赫兹波导 光子晶体光纤 太赫兹滤波器太赫兹滤波器 基于光子晶体的太赫兹滤波器基于光子晶体的太赫兹滤波器 基于频率选择表面的太赫兹滤波器基于频率选择表面的太赫兹滤波器 基于量子阱结构的太赫兹滤波器基于量子阱结构的太赫兹滤波器 目

9、前太赫兹滤波器主要基于二维光子晶体、超目前太赫兹滤波器主要基于二维光子晶体、超 颖材料、表面等离子体等结构颖材料、表面等离子体等结构 光子晶体太赫兹滤波器光子晶体太赫兹滤波器 光子晶体太赫兹滤波器 光子晶体可调太赫兹滤波器光子晶体可调太赫兹滤波器 基于向列液晶材料的太赫兹立奥滤波器 周期结构太赫兹滤波器周期结构太赫兹滤波器 基于周期结构的6.9THz和 20.3THz带阻滤波器 周期结构太赫兹滤波器周期结构太赫兹滤波器 (a)太赫兹高通滤波器 (b)太赫兹带阻滤波器 (c)太赫兹带通滤波器 (d)太赫兹带通滤波器 基于量子阱结构的太赫兹滤波器基于量子阱结构的太赫兹滤波器 混合型量子混合型量子阱

10、结构示意图阱结构示意图 利用激光照射量子阱结构使结构中的电子和空穴结合产生光子利用激光照射量子阱结构使结构中的电子和空穴结合产生光子, , 从而改变结构从而改变结构 中光学激发的载流子的数量。从而通过改变激光参数实现可调太赫兹滤波器。中光学激发的载流子的数量。从而通过改变激光参数实现可调太赫兹滤波器。 太赫兹天线太赫兹天线 太赫兹天线大体可以分为三类：太赫兹天线大体可以分为三类： 机械太赫兹天线机械太赫兹天线 平面太赫兹天线平面太赫兹天线 新材料太赫兹天线新材料太赫兹天线 机械太赫兹天线机械太赫兹天线 太赫兹喇叭天线 平面太赫兹天线平面太赫兹天线 对于平面天线由于“介质模式”的存在，在太赫兹对

11、于平面天线由于“介质模式”的存在，在太赫兹 波段，会使得大量的电磁能量被困在介质当中，无法有效波段，会使得大量的电磁能量被困在介质当中，无法有效 的辐射出去。的辐射出去。 透镜天线透镜天线 薄膜天线薄膜天线 电磁带隙天线电磁带隙天线 为了解决该问题，衍生出了以下几类天线：为了解决该问题，衍生出了以下几类天线： 平面太赫兹天线平面太赫兹天线 半无穷介质基板上方偶极子天线的辐射方向图 透镜太赫兹天线及阵列 平面太赫兹天线平面太赫兹天线 太赫兹薄膜天线太赫兹薄膜天线 平面太赫兹天线平面太赫兹天线 电磁带隙天线电磁带隙天线 新材料太赫兹天线新材料太赫兹天线 碳纳米管及碳纳米偶极天线碳纳米管及碳纳米偶极

12、天线 （a） （b） 太赫兹放大器太赫兹放大器 太赫兹放大器，按实现方式可以分为太赫兹放大器，按实现方式可以分为 ： 基于固态器件的太赫兹放大器基于固态器件的太赫兹放大器 基于真空电子器件的太赫兹放大器基于真空电子器件的太赫兹放大器 异质结双极型晶体管异质结双极型晶体管 （HBT） 高电子迁移率晶体管高电子迁移率晶体管 （HEMTHEMT） 太赫兹放大器太赫兹放大器 目前太赫兹固态放大器所使用的晶体管目前太赫兹固态放大器所使用的晶体管, ,主要有主要有: :高电子迁高电子迁 移率晶体管（移率晶体管（HEMTHEMT）、变形异质结高迁移场效应晶体）、变形异质结高迁移场效应晶体 管管 (Metam

13、orphic HEMT)(Metamorphic HEMT)和异质结双极型晶体管（和异质结双极型晶体管（HBTHBT）。）。 基于固态器件的太赫兹放大器基于固态器件的太赫兹放大器 3阶35nm mHEMT放大器 （Developed at Teledyne scientific） 放大器S参数的测量结果 基于固态器件的太赫兹放大器基于固态器件的太赫兹放大器 4阶35nm mHEMT放大器 （Developed at Teledyne scientific） 放大器S参数的测量结果 基于真空电子器件的太赫兹放大器基于真空电子器件的太赫兹放大器 1THz反波放大器 对基于真空电子器件的太赫兹放大器

14、，目前一个重要的发展方向是引入对基于真空电子器件的太赫兹放大器，目前一个重要的发展方向是引入 微机电系统技术，冷阴极技术，高纵横比光刻技术，制造可以用于微机电系统技术，冷阴极技术，高纵横比光刻技术，制造可以用于THzTHz频率频率 的小型真空管。图给出了的小型真空管。图给出了1THz1THz返波管放大器的配置。返波管放大器的配置。 基于真空电子器件的太赫兹放大器基于真空电子器件的太赫兹放大器 慢波结构 阴极配置 慢波及耦合过渡结构 太赫兹应用需要解决的关键问题太赫兹应用需要解决的关键问题 研制大功率太赫兹发射源研制大功率太赫兹发射源 研制高效率太赫兹传输设备研制高效率太赫兹传输设备 研制高灵敏度太赫兹接收装置研制高灵敏度太赫兹接收装置 深入理解太赫兹辐射以及与物质的互作用深入理解太赫兹辐射以及与物质的互作用 电子科技大学