太赫茲_201367

1、太赫茲物理、器件及其應用太赫茲物理、器件及其應用 太赫茲（太赫茲（THz）波）波介于毫米波與紅外光之間，頻率在介于毫米波與紅外光之間，頻率在0.1-10THz（波（波長為長為3毫米毫米-30微米）范圍，又稱微米）范圍，又稱T-射線射線電磁波譜圖電磁波譜圖輻射能量越強輻射能量越強頻率（頻率（HzHz）研究狀況研究狀況美國：美國： 國防部、空軍、能源部國防部、空軍、能源部(THz連續(xù)、大功率源連續(xù)、大功率源) 航天局航天局(THz遙感遙感) 國家衛(wèi)生學會國家衛(wèi)生學會(THz醫(yī)學成像醫(yī)學成像)DARPA歐盟：歐盟： StarTiger THz空間計劃、遙感、成像空間計劃、遙感、成像 THz-brid

2、ge 生物醫(yī)學診斷生物醫(yī)學診斷 Teravision THz成像器件、成像器件、THz相機相機日本：日本： 列為十年戰(zhàn)略規(guī)劃首位。發(fā)展列為十年戰(zhàn)略規(guī)劃首位。發(fā)展THz病病理診斷、毒品和爆炸物檢測技術等理診斷、毒品和爆炸物檢測技術等中國中國T-射線 的一些重要特性T-射線 具有較低光子能量 (4 meV 1 THz) ，不會在生物組織中產生有害的光致電離。 很多有機分子由于偶極子的旋轉和震動躍遷, 在 GHz 到 THz 頻段，都具有很強的吸收和色散；分子的這些光譜特征使得T-射線 鑒別成為可能。 相干T-射線 信號瞬時電場的強度和相位可以同時被測強度和相位可以同時被測量量; 這樣我們就可以通過

3、對T-射線 進行時域探測，獲得THz 吸收光譜和色散光譜。THz 時域光譜提供了非常高的信噪比，而且對黑體輻射 (熱背景)不敏感。 THz波重要性波重要性與與X光相比光相比，THz波能量低，不會波能量低，不會破壞生物組織，具有很高安全性，破壞生物組織，具有很高安全性，適合安檢和醫(yī)學成像適合安檢和醫(yī)學成像與紅外光比與紅外光比，THz特征光譜對很多大特征光譜對很多大分子來說更易分辨，可很好地用于鑒分子來說更易分辨，可很好地用于鑒別毒品和爆炸物等別毒品和爆炸物等與微波相比與微波相比，THz成像分辨率更高；成像分辨率更高；THz通通信更保密、安全信更保密、安全海洛因海洛因THz吸收譜吸收譜2.4THz

4、機場安檢機場安檢X光檢測光檢測THz成像成像國家重大需求國家重大需求國家重點管制類毒品國家重點管制類毒品THzTHz譜譜要害部門、場所安全監(jiān)控要害部門、場所安全監(jiān)控全國吸毒人員全國吸毒人員114萬萬北京北京2.6萬萬0.51.01.52.02.53.00.00.51.01.52.02.53.03.54.0ketamine Absorbance (a.u.)Frequency (THz)搖頭丸搖頭丸為了加強執(zhí)法力度?T-射線 收發(fā)器當警察需要從屋外確知人質、恐怖分子和武器的詳細位置和狀況的時候，我們可否使用THz收發(fā)器來幫忙?T-射線用于對抗生物恐怖主義Thurengiensis 桿狀菌 孢子被

5、放入信封中。 THz像中其吸收/ 散射清晰可見， 但是為了準確地辨別，需要對樣品的THz 響應進行全面的分析。信封中的“炭疽熱”病菌粉末成像 THz振蕩源振蕩源: 自由電子激光器，氣體激光器自由電子激光器，氣體激光器 Gunn振蕩器，振蕩器，Bloch振蕩器振蕩器 電光晶體電光晶體半導體半導體THz振蕩器振蕩器THz量子級聯(lián)激光器（量子級聯(lián)激光器（THzQCL） THz探測器探測器: 熱輻射探測器熱輻射探測器 熱電探測器熱電探測器 電光晶體電光晶體THzQWPTHz振蕩器和探測器振蕩器和探測器各類各類THz源技術特點源技術特點自由電子激光器，同步輻射光源自由電子激光器，同步輻射光源l輸出頻率覆

6、蓋范圍寬輸出頻率覆蓋范圍寬l輸出功率高輸出功率高l光束質量好光束質量好l功耗高、體積龐大功耗高、體積龐大CO2泵浦小分子氣體泵浦小分子氣體THz激光器激光器l 輸出頻率準連續(xù)（更換工作介質可輸出頻率準連續(xù)（更換工作介質可覆蓋覆蓋0.3-7.0THz）l 輸出功率輸出功率50毫瓦毫瓦l 光束質量高光束質量高l 重量約重量約70公斤公斤l 結構復雜；功耗約結構復雜；功耗約3千瓦千瓦返波管（返波管（BWO）l輸出頻率范圍輸出頻率范圍1.11THzl輸出功率輸出功率1-10毫瓦毫瓦l體積約體積約0.50.40.5立方米立方米l功耗功耗600瓦；重量瓦；重量45公斤公斤飛秒激光泵浦、差頻飛秒激光泵浦、差

7、頻THz發(fā)生器發(fā)生器l輸出頻率范圍輸出頻率范圍3.0THzl輸出功率低輸出功率低毫瓦量級毫瓦量級l功耗高、結構復雜、難于集成功耗高、結構復雜、難于集成Gunn振蕩器振蕩器l輸出頻率范圍輸出頻率范圍1.0 THzl高頻段輸出功率低（微瓦）高頻段輸出功率低（微瓦）P-Ge振蕩器；半導體負有效質量振蕩器；半導體負有效質量振蕩器；基于帶內反射的振蕩器；基于帶內反射的THz振振蕩器；超晶格蕩器；超晶格Bloch振蕩器振蕩器l新器件概念、原型器件階段，無新器件概念、原型器件階段，無成熟器件、發(fā)展有很大不確定性成熟器件、發(fā)展有很大不確定性維吉尼亞公司產品技術參數(shù)維吉尼亞公司產品技術參數(shù)100-300 GHz

8、 輸出功率輸出功率1-30mW300-600 GHz 輸出功率輸出功率 0.1-8mW600-900 GHz 輸出功率輸出功率 10-500微瓦微瓦1.0-1.7 THz 輸出功率輸出功率 1-60微瓦微瓦各類各類THz探測器技術特點探測器技術特點半導體肖特基二極管半導體肖特基二極管l體積小、重量輕體積小、重量輕l響應頻段響應頻段2.5THzl外差探測，需外差探測，需THz本地振蕩源本地振蕩源超導體絕緣體超導體隧穿結探測器超導體絕緣體超導體隧穿結探測器l體積小、重量輕體積小、重量輕l探測靈敏度高，逼近量子極限探測靈敏度高，逼近量子極限l響應頻段響應頻段1.5 THzl制冷溫度約制冷溫度約4Kl

9、需需THz本地振蕩源本地振蕩源Bolometer；Pyroelectric detectorl探測率低探測率低l響應速度慢，通信速度提不上去響應速度慢，通信速度提不上去l無光譜分辨本領無光譜分辨本領利用低維結構中利用低維結構中THz引起的等離子體振蕩引起的等離子體振蕩l新器件概念，原理型器件階段新器件概念，原理型器件階段THz量子阱探測器量子阱探測器l按需設計響應頻段按需設計響應頻段l響應速度快響應速度快l靈敏度較高靈敏度較高l體積小、穩(wěn)定、壽命長體積小、穩(wěn)定、壽命長l制冷需求高（制冷需求高（20-50K）THz尚未分配的波段尚未分配的波段(THz Range) Unallocated0.3

10、THz30 THz3 THz當前使用及正將出現(xiàn)的無線通信系統(tǒng)當前使用及正將出現(xiàn)的無線通信系統(tǒng)WLAN (Wireless Local Area Networks)- IEEE 802.11b, 11 Mbps, 2400-2483.5 MHz- IEEE 802.11g, 54 Mbps, 2400-2483.5 MHz- IEEE 802.11a, 54 Mbps, 5150-5350 MHz, 5470-5725 MHz, 5725-5825 MHz- IEEE 802.11n, 100 Mbps, optional bis zu 600 Mbps, Freq. like 802.11a-

11、 WIGWAM Project, up to 1 Gbps, 5, 17, 24, 60 GHz, MIMOWPAN (Wireless Personal Area Networks)- Bluetooth, IEEE 802.15.1a, 1 Mbps, 2400-2483.5 MHz- High-rate WPANs, IEEE 802.15.3a, realized 500 Mbps, planned 1.3 Gbps several meters, UWB based, 3.1-10.6 GHz- High data rate WPANs, IEEE 802.15.3c, planned 2 Gbps several meters, mm-Wave, 60 GHz band (57-64 GHz)目前目前THz波段尚未分配波段尚未分配，可為未來的，可為未來的大容量高速通信大容量高速通信提供巨大的帶寬資源提供巨大的帶寬資源THz 波通信的特點波通信的特點具有其它頻段光通信的優(yōu)點具有其它頻段光通信的優(yōu)點帶寬寬帶寬寬高信噪比高信噪比天線小天線小定向性好定向性好散射小散射小安全性高安全性高在安全保密通信方面在安全保密通信方面對于空間通信，大氣可作為天然屏障，通信過程難以偵測對于空間通信，大氣可作為天然屏障，通信過程難以偵測對于地面短距離通信，水氣吸收嚴重，中遠程探測