亚毫米波及太赫兹技术
《太赫兹科学技术与高速通信》课程教学大纲
《太赫兹科学技术与高速通信》教学大纲一、课程地位与课程目标（一）课程地位本课程是电子信息科学与技术专业本科生的主要专业基础课，其目的是从多种太赫兹源的研制、太赫兹波的探测和控制技术出发，涵盖太赫兹科学发展的不同阶段的相关技术。
详尽地说明主要的太赫兹技术，如太赫兹波的产生、探测和控制的基本原理，而且讨论太赫兹科学的最新发展，介绍其与各研究领域的技术结合所产生的新兴技术进步，如在超高速率空间通信、超高分辨率武器制导、医学成像、物质太赫兹光谱特征分析、安全检查、材料检测等领域具有重要的研究价值和广泛的应用前景，结合本专业领域技术与太赫兹科学技术进行思考与研究。
二、课程目标达成的途径与方法三、课程目标与相关毕业要求的对应关系四、课程主要内容与基本要求1. 太赫兹技术基础及其应用从太赫兹波基本概念入手，由所在频段特殊性展开，介绍太赫兹波的特点及性质，分析太赫兹波段与亚毫米波的性质区别，展示太赫兹技术应用以及其广阔的前景。
这部分是本课程的基础部分，重点掌握太赫兹波的基本概念以及太赫兹波波段和亚毫米波的性质区别等。
通过这部分的学习，能使学生的掌握有关太赫兹波中基本概念及其特性。
2.太赫兹波的产生与太赫兹源介绍太赫兹波产生条件，太赫兹波产生方法，常见的太赫兹源及其相关重要参数。
研究太赫兹波产生原理，熟悉掌握常见太赫兹源及其相关重要参数。
这部分是太赫兹为后续章节的太赫兹器件选择与应用相关的理论知识。
3.太赫兹波器件及其应用介绍太赫兹波器件的发展前景，了解太赫兹波器件的工作原理。
掌握太赫兹波器件的相关参数以及相关的公式运用。
这部分是建立在第1部分和第2部分，通过对太赫兹波的认识基础上，重点讲太赫兹波器件相关参数调试与运算。
通过这部分的内容学习，能使学生对太赫兹相关行业的国际状况有基本了解。
4.太赫兹通信太赫兹太空通信比起今天的微波通信，在聚焦能力、安全能力更高，又比激光通信的跟踪更容易，因此全世界很多国家都在发展太赫兹空间中继通信。
太赫兹(THz) 科学技术及应用
Chopper
(四) THz波的应用
美国: 主要研究力量
目前全世界有 100个以上的研 究小组在进行 与THz 有关的 研究 欧洲: Teravision, Terabridge Teraview Ltd. 日本: Tera-photonics
台湾: Tera-photonics
China: NNSFC 新的 THz 项目
’
三. 在医学成像、诊断上的特殊作用
● MR, CT, PET 在医学成像中发挥很大的作用，但有局限性。
● CT, PET 均采用离子化辐射，可能会引起别的疾病; ● MR 和 CT不能对骨头成像； ● PET 有很高的灵敏度但空间分辨率差。 ● T-ray 成像可能解决上述问题： THz 与 X-ray 的最大区别在于，它在远红外区，光子能量 比 X-ray 小约百万倍，没有离子化辐射问题； THz 频率段正好处在分子相互作用段，它可以给出位置和密 度的信息。可用于分子活动的研究，并给出很高的空间分辨率 （~ 300um）。 它很少散射，使成像很简单，不需要进行散射校正。 THz –ray在成像中的最重要的特性是，在THz –ray 作用下， 不同的分子具有特定的相互作用，可用于在分子尺度上的材料 确定，用于诊断疾病和癌疹的早期发现。 THz –ray可用于计算机照相，THz –ray CT可获得三维分子 或化学的图象，其分辨率可达 um 量级。
1. THz在安全检查上的应用
报纸
尖刀 !!
THz在安全检查上的应用
恐怖分子
T-射线 收发器
人质
当警察需要从屋外确知人质、恐怖分子和武器的详细位置和 状况的时候，我们可否使用THz收发器来帮忙?
2. THz在毒品检测中的应用
太赫兹技术
的 数 据 流下 保 持 了 零错 误 ，当提 高 到 ２５Ｇｂｉｔ／ｓ／单 股 数 据 流
其 两 股 ，保 持 前 向纠 锚 情 况 下 ，也 能 基 本 实 现 ５０Ｇｂｉｔ／ｓ。
该 项 目 的研 究 专家 表 示 ，新 的 技 术 “能 以非 常 高 的速 度 和非
常 低 的误 码 率在 太 赫 波上 传 输单 独 的数 据 流 ”。
科 普 园 地
太 赫 兹技 术
太赫兹技术空间应用研究探讨
图 １ Ｓ ＭＬ 测量 的同温层中臭氧 、 水分子含量 随大气压力变化
Ｆ ｇ１ ｉ． ＭＬ ｐ ｆ ｔａｏ ｐ ｅ ｉ ｗ ｔｒｖ ｐ ｒａ ｄ ｏ ｏ ｅ Ｓ ｍａ ｓｏ ｒ ｔｓ ｈ ｒｃ ａｅ ａ ｏ ｎ ｚ ｎ ｓ
第１ 期
林栩凌 等 ： 太赫兹技 术空问应 用研 究探讨
ａ ｔｎ ｉ ｎ ｉ ｐ ｉ ｙ ｔ ｅ ｒ ｓ ａ ｃ ｅ ｓ ａ ｄ ｇ ｖ ｒ ｍｅ ｔ ， ａ ｏ ｎ ｑ ｅ ｐ ｏ ｅ ｔ ｓ ｗｈ ｃ ｒ ｉ ｅ ｅ ｔｆｏ ｏ ｈ ｒ ｔ ｔ ｓ ａ ｄ ｂ ｈ ｅ ｅ ｒ ｈ ｒ ｎ ｏ ｅ ｎ ｎ ｓ ｈ ｓ ｓ ｍｅ ｕ ｉ ｕ ｒ ｐ ｒ ｅ ｉｈ ａ ｅ ｄ ｆ ｒ ｎ ｒ ｍ ｔ ｅ ｅ ｏ ｉ ｆ ｅ ｅ ｔ ｍａ ｎ ｔ ｖ ．Ｔ ａ ｅ ｉ ｅ ａ ｄ ｄ ｔ ａ ｅ ｐ ｔｎ ｉｌ ａ ｐ ｉ ａｉ ｎ ｉ ｎ ｅｄ ， ｕ ｈ ａ ｎ ｏ ｍａ ｉ ｎ ｌｃ ｒ ｏ ｇ ｅ ｉ ｗａ ｅ Ｈｚ ｗ ｖ ｓ ｒ ｇ ｒ ｅ ｏ ｈ ｖ ｏ ｅ ｔ ｐ ｌ ｔ ｎ ｍａ ｙ ｆ ｌ ｓ ｓ ｃ ｓ ｉ ｆｒ ｔ ｃ ａ ｃ ｏ ｉ ｏ ｓ ｉ ｎ ｅ ｂ ｏｏ ｙ， ｄ ｃ ｌａ ｄ ｅ ｖｒ ｎ ｎ ｃ ｅ ｃ ｓ ｈ ｉ ａ ｉｎ ｆｔ ｅ ｒ ｓ ａ ｃ ｎ ｈ ｐ ｃ ｐ ｌ ａ ｉ ｎ ｏ ｃ ｅ ｃ ， ｉｌ ｇ ｍｅ ｉａ ｎ ｎ ｉ ｍｅ ｔ ｓ ｉ ｎ ｅ ．Ｔ ｅ ｓｔ ｔ ｓ ｏ ｈ ｅ ｅ ｒ ｈ ａ ｄ ｔ ｅ ｓ ａ ｅ ａ ｐ ｉ ｔ ｆ ｏ ｕ ｏ ｃ ｏ ｔ ｒ ｈ ｒ ｅ ｈ ｏｏ ｙ ｉ ｉ ａ ａ ｄ ａ ｒ ａ ｒ ｒ ｓ ｎ ｅ ａ ｄ ｓ ｍｅ ｓ ｇ ｅ ｔ ｎ ｒ ｉ ｅ ． ｅ ａ ｅ ｔ ｔｃ ｎ ｌ ｇ Ｃｈ ｎ ｎ ｂ ｏ ｄ ａ ｅ ｐ ｅ ｅ ｔｄ， ｎ ｏ ｕ ｇ ｓｉ ｓ ａ ｅ ｇｖ ｎ ｚ ｎ ｏ
太赫兹技术综述
太赫兹波技术应用及发展简述******2019年12月1 太赫兹波简述1.1 太赫兹波背景太赫兹波是(THz)波是一种频率介于0.1～10THZ、波长介于3000～30μm的电磁波。
太赫兹波在电磁波谱中的位置位于微波与红外辐射之间。
（如图1所示）由于太赫兹波直接在长波段与毫米波相重合，在短波段与红外光相重合，与之相应，其研究手段有电子学理论过渡为光子学理论。
所以太赫兹波是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，也是电子学向光子学的过渡区，称为电磁波谱的“太赫兹空隙(THz gap)”。
图1 电磁波谱中太赫兹波相对位置相对于电磁波谱中其余波，太赫兹波因其波长具有特殊性质。
即对于非金属材料（陶瓷、木材、高分子化合物、纸、非极性液体）具有良好穿透性能；对于极性液体(水) ，表现出强烈的吸收性质;而对于金属材料，则表现出很高的反射性质。
[1] 这使得太赫兹波成为理想的透射成像媒质。
目前，基于太赫兹波的性质，其被广泛应用于安全检查、航空航天、生物医学、雷达通信等领域，具有良好的发展前景。
1.2 太赫兹波性质太赫兹波综合了电子学与光子学的优越性能，在保留其电磁波特性的基础下，具有许多不同于其他电磁波的性能，诸如指纹特性、高穿透性与生物安全性等独特的优势。
A．指纹特性太赫兹波具有指纹特性,可以识别不同物质的分子结构信息。
其原理如下：物质有分子构成，由于大多数物质的晶格振动等物理性质存在差异，且其数值范围恰好对应于太赫兹波范围中，因此每一种物质在太赫兹波段中的波段透射-吸收光谱的位置、强度和形状均不相同。
[1]这种微小的差异可以识别出物质的变化，使得物质在太赫兹波的光谱中具有其独特性，太赫兹光谱由此被称为分子光谱。
综上所述，太赫兹波可以根据物质的物理性质对不同物质进行仔细甄别，基于该性质的太赫兹波光谱识别技术被广泛利用。
图2 常见金属物质晶格空间分布B．高穿透性太赫兹波作为电磁波，其波长较短，因此具有良好穿透性。
根据目前的研究，太赫兹波对于有极电介质、无极电介质及金属导体的透射性有较大差别，这种差别一定程度上可以作为其检测物质的参考。
太赫兹技术军事应用前景展望
、
太赫兹电磁波特点与研究现状
１ 太赫 兹 电磁 波特 点 ．
太 赫 兹 电磁 波 波 长 介 于 亚 毫 米 波 与 红 外 辐 射 线 电频 道 的 日益 拥 挤 ，这 些 未 被 分 配 的 频 段 将 是 之 间 ， 有 微 波 与 红 外 辐 射 所 不 具有 的 特殊 属 性 。 未 来 很 好 的 宽 带 通 信 信 息 载体 ，适 合 于 中 、近 距 具 具 体 来 讲 太 赫 兹 电磁 波 具有 如 下特 性 ： （ ）光 子 能量 低 。太 赫 兹 辐 射 光 子 能 量 很 低 ， １ 离 或 太 空 宽 带 无 线移 动 通 信 。 （ ）其 他 特 性 。太 赫 兹 波 还 具 有 传 输 速率 高 、 ５
优 越 特 性 ，使 得 其 在 军 事 领 域 也 有 很 大 的 应用 前 除 了金 属 、 水 和极 性 物质 以 外 的 几乎 所 有 物 质 均 景 ， 因此 一 旦 太 赫 兹 技 术 实 际应 用 于 军 事 通 信 、 可 穿透 成 像 ， 烟 尘 、 壁 、 板 、 料 及 陶 瓷 等 ， 如 墙 碳 布 战场 侦 察 、 精 确 制 导 、反 隐身 、 电子 战等 军 事 领 在 环 境 检 测 与 安 全检 查 等方 面 能 有 效 发 挥 作 用 。
（ ２）脉 冲 宽 度 窄 。 太 赫 兹 脉 冲 宽度 很 窄 ，它
究 力 度 ，尤 其 是 美 、 日等 科 技 强 国更 是 把太 赫 兹 的典 型 脉 宽 在 亚 皮秒 量 级 ，不 但 可 以方 便 地 进 行 技术 的研 究 列人 国 家支 柱 技 术 发 展 规 划 。经过 ２ 时 间分 辨 的研 究 ，而 且 通 过 取 样 测 量 技 术 ，能 够 Ｏ 多 年 的 发 展 ，大 功 率 太 赫 兹 波 辐 射 源 和 高灵 敏 度 有 效 地 抑 制 背景 辐 射 噪声 的 干扰 。 太 赫 兹 波 的 这 探 测 技 术 的 研 究 取 得 了关 键 性 的突 破 ， 目前太 赫 种 窄 脉 宽 特 性 可应 用 于 侦 察 和精 确 制导 ， 以探 测
太赫兹技术及其在研究领域的应用
太赫兹技术及其在研究领域的应用摘要：简要介绍了太赫兹技术的国内外发展状况，由于太赫兹波在电磁波谱中的特殊位置，其表现出优越的特性，太赫兹科学技术已成为本世纪最为重要的科技问题之一。
通过对太赫兹基础研究领域的分析，阐明了太赫兹波的作用机理及相关器件的发展。
太赫兹技术在成像、通讯、航空及生物医药等领域有着广阔的应用前景。
随着技术理论的不断发展及成熟，太赫兹技术必将对国民经济和国家安全产生重大影响。
关键词：太赫兹；太赫兹技术；基础研究；太赫兹应用Terahertz technology and its applications in researchfieldAbstract：The development of Terahertz technology at home and abroad is briefly summarized, and the special position of THz wave in electromagnetic spectrum, it shows the superior characteristic. So Terahertz Science and technology has become one of the most important scientific and technological problems in this century. Through the analysis of the THz basic research field, the mechanism of THz wave and the development of the related devices are elucidated. THz technology has broad application in imaging, communications, aviation and biomedical and other fields. With the development of technology theory, THz technology will have a great impact on national economy and national security.Key words：Terahertz; Terahertz technology; basic research; Terahertz application0 引言随着现代科学技术的迅猛发展、各国之间科技竞争的加剧及社会信息化进程的不断加快，高新技术越来越成为各个国家之间竞争力水平的标志。
太赫兹波的产生及探测方法综述
图七
光电导天线采样原理示意图
3、空气探测方法
空气探测法是一种新的 THz 探测方法，该种方法利用飞秒激光与空气等离 子体相互作用产生较强的太赫兹波脉冲辐射的原理，从而探测到太赫兹波的时 域波形。2006 年，Jiangming Dai 和 X.-C. Zhang 等人，根据 THz 辐射的产生 和探测是互逆过程这一理论， 利用三阶非线性性质实现了空气等离子体探测 THz 电场。 该方法利用空气做介质，在外加偏置电场下利用探测光离化空气产生等离 子体并辐射激光脉冲的二次谐波，相干探测太赫兹波脉冲，因此也称为 Air-Biased-Coherent-Detection， 即 ABCD。 在太赫兹波辐射源较宽的情况下， 空气探测方法不受晶体声子吸收的影响， 因此它所探测到的谱能够覆盖整个 “太 赫兹波间隙”，目前报道的利用该方法探测已经可以得到 30THz 的谱，因此这
图四
等离子体有质动力产生太赫兹波
另一种较为普遍的等离子体产生太赫兹波方法为四波混频过程辐射太赫 兹。将基频（800nm）和倍频（400nm）光束同时聚焦作用于气体，使气体电离 形成气体等离子体，等离子体作为辐射源向外辐射太赫兹波，该过程的实质是 一个三阶的非线性四波整流（ 混频） 过程 ，称之为 Four Wave Rectification-FWR （或 Four Wave Mixing-FWM）。 图五为四波混频辐射太赫兹示意图。
太赫兹波在电子学领域处于亚毫米波区域,在光谱学领域处于远红外区域, 由于处于传统电子学和光子学领域的连接过渡区域,故而太赫兹波相比其他波 段具有很多独特的性质： （1）宽带性：一个太赫兹脉冲通常包含一个或多个周期的电磁振荡，单个 脉冲的频带很宽，可以覆盖从到几十个的范围，可以在大范围研究物质的光谱 性质。 （2）瞬态性：太赫兹波的典型脉宽在亚皮秒量级，不但可以进行亚皮秒、 飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，而且可以通过取样测量的手段，来有效防止背 景辐射噪音的干扰。 （3）低能性：太赫兹波的光子能量很低。1THz 的光子能量通常只有 4meV， 一般是射线光子能量的百万分之一，因此它并不会对生物体和细胞产生有害的 电离，便于对生物体进行活体检验。 （4）相干性：太赫兹波具有很高的空间和时间相干性，辐射是由相干的激 光脉冲通过非线性光学差频产生，或是由相干电流驱动的偶极子振荡产生的， 它具有非常高的空间和时间相干性。它用来研究分析材料的瞬态相干动力学问 题有很大的优势。 （5）透射性：除了金属和水对有较强的吸收，对其他物质都有很好的穿透 性，因此波在安全检查和反恐领域的应用前景普遍被人们看好。 （6）很多极性大分子的振动能级和转动能级正好处于频段范围，它们的光 谱包含有丰富的物理和化学信息，因此使用光谱技术分析和研究大分子有着广 阔的应用前景。
太赫兹(THz)科学技术和应用
（三）THz 辐射对于很多非极性物质，如电介质 材料及塑料、纸箱、布料等包装材料有很强的穿透 力, 可用来对已经包装的物品进行质检或者用于安 全检查。
（四）大多数极性分子如水分子，对THz辐射 有强烈的吸收。
在THz成像技术中，可以利用对水的强烈吸收特性分辨生 物组织的不同状态，如对人体烧伤部位的损伤程度进行诊断， 还可以进行产品质量控制，如测量食品表面水分含量以确定 其新鲜程度。
Capital Normal University
3. THz在爆炸物检测中的应用
Absorbance
0.20
0.15
2,4-DNT
0.15
0.10
0.10
1,3-DNT
0.05
0.05
Absorbance
0.00 600 500 400 300 200 100 0 Wavenumber (cm-1)
日本: Tera-photonics
台湾: Tera-photonics
China: NNSFC 新的 THz 项目
THz辐射主要应用领域
生物医学 安全检查 工业无损检测 空间物理和天文学 环境监测 化学分析 军事和通信领域
一、THz 在国家安全、反恐方面的作用
由于 THz 波对衣物、塑料、陶瓷、硅片、纸张 和干木材等一系列物质具有较好的穿透性能；而且 能够根据物质的THz“指纹谱”，对物质进行识别， 所以在毒品、化学生物危险品和武器等的非接触安 全检测、邮件隐藏物的非接触检测等方面受到了反 恐、保安和海关检查等部门的高度重视。
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三. 在医学成像、诊断上的特殊作用
● MR, CT, PET 在医学成像中发挥很大的作用，但有局限性。
● CT, PET 均采用离子化辐射，可能会引起别的疾病; ● MR 和 CT不能对骨头成像； ● PET 有很高的灵敏度但空间分辨率差。
太赫兹频段开发利用及启示
太赫兹频段开发利用及启示作者：暂无来源：《上海信息化》 2017年第5期文/ 彭健大众对红外线、微波、X 光等名词都很熟悉，却对太赫兹较陌生。
太赫兹技术曾被评为“改变未来世界的十大技术”之一，“太赫兹空白”就像被上帝遗忘的角落，仍待人类研究、发掘。
根据国际电信联盟（ITU）的规定，无线电波的频率范围为3KHz～3000GHz，属于整个电磁波谱中的一小段。
即便如此，受到无线电技术和无线电设备的限制，目前ITU也仅将275GHz以下的频段划分给具体的无线电业务使用。
275GHz～3000GHz频段如此丰富的频率资源还处于无线电业务的空置区，而这一频段正好是太赫兹频段（THz）的重要组成部分。
太赫兹频段（也被业界称为“亚毫米波辐射”）泛指0.1THz～10THz物理频段和0.03mm～3mm波长所对应的物理频段，1THz=1012Hz=1000GHz。
近年来，随着技术手段不断进步，太赫兹频段的优点被逐渐发现并应用于多个领域，除了用于高速宽带无线通信以外，还在射电天文、物理成像、安全检测、环境监测等领域有着广阔的应用前景。
尤其是在无线通信领域，随着物联网、大数据、云计算等新一代信息通信技术的快速发展，无线通信已经进入了技术和应用跨越式演进的新时代，流量的爆发式增长使得频谱需求量非常大，而太赫兹频段的频率资源丰富，能够有效弥补频率需求缺口。
目前，针对太赫兹频段的开发利用已经在全球范围内呈现出如火如荼的态势。
太赫兹频段具有独特的物理特性，介于微波与远红外线之间，如图1所示。
其低频段位于亚毫米波频率范围内，一般运用电子学理论来研究；而高频段位于红外线频率范围内，开发利用主要依靠光子学理论。
在完整的电磁波谱上，太赫兹频段两侧的红外和微波技术已经非常成熟，但是对太赫兹频段的开发利用基本上处于起步阶段。
其主要原因是，该频段所处的位置正好处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，在研究方面既不完全适用于光子学理论，也不完全适用于微波电子学的理论，可以说该频段是人类尚未完全认知、开发利用的频段之一。