太赫兹波或称太赫兹射线是上个世纪80 年代中后期，才正式命名的，此前被统称为远红外射线。太赫兹波是指频率在0.1 太赫兹到10 太赫兹范围的电磁波（也有0.3 太赫兹到10 太赫兹的说法），波长大概在0.03mm 到3mm范围，介于微波与红外线之间。
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太赫兹波所在频率范围
随着20世纪80年代一系列新技术、新材料的发展，特别是超快技术的发展，使获得宽带稳定的脉冲太赫兹源成为一种常规技术，太赫兹技术得以迅速发展，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”，其中太赫兹技术名列榜首；欧洲、澳大利亚、日韩等许多国家和地区政府、研究机构、大学和企业也纷纷投入到太赫兹研发的热潮中。
一、太赫兹技术概述
早在100年前，已有研究人员产生过这一波段的辐射。在1896 年和1897年，Rubens和Nichols就使红外光谱到达9μm（0.009mm）和20μm（0.02mm），之后又有到达50μm的记载。之后的近百年时间，远红外技术取得了许多成果，并且已经产业化。但是涉及太赫兹波段的研究结果和数据非常少，主要是受到有效太赫兹产生源和灵敏探测器的限制，因此这一波段也被称为太赫兹间隙。
太赫兹波处于电子学向光子学过渡的区域，具有光子能量低、脉冲宽度窄、穿透性强、频带宽、抗干扰能力强等特殊属性，在探测、通信等领域展现出巨大的优势。
频带宽。太赫兹的频率远高于微波段的频率，因此具有更宽的频带传输带宽，在作为通信载体时具有更高的传输速度。
透射性强。与可见光相比，太赫兹波具有更好的透射能力。太赫兹波对大部分干燥、非金属、非极性材料都较好的穿透能力，可以用于透视成像和无损探测领域。
光子能量低。频率为1太赫兹的电磁波的光子能量为4.14meV，远低于可见光的光子能量，是X射线光子能量的数百万分之一。因此，利用太赫兹波进行生物组织检测，可以不损伤生物组织。
瞬态特性。通过测量脉冲相干太赫兹波的时域波形，可以得到物质的吸收谱和色散谱，有助于研究材料的瞬态相干动力学问题。
“指纹”特性。大多数分子的分子振动和转动频率都集中在太赫兹频段，如极性气体等，因此利用太赫兹光谱可以有效识别物质的组成成分和含量，如人的指纹一样，其在物质识别、环境检测和医学等领域具有非常可观的应用前景。
二、太赫兹技术发展现状
（一）太赫兹源
目前产生太赫兹波的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。
1.量子级联激光器
量子级联激光器（QCL）是利用III-V族超晶格材料开发的紧凑型半导体光源，可以产生中红外波。自2002年起，开始应用在太赫兹波段。量子级联激光器依靠一系列量子阱形成的电子能带之间的跃迁激发产生激光，“级联”多个这样的区域，可使注入的电子经历多次转换，增强辐射出的激光，因此，能带结构和半导体超晶格的设计与控制是量子级联激光器的关键。
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>1W的激光，用于远场传输、频率梳和脉冲产生等。尽管这些应用需要低温冷却，但可以用低成本的斯特林冷却器实现。由于量子级联激光器在输出功率和波长敏捷性等方面有巨大优势，其未来的应用领域广泛。
2.真空电子器件
真空电子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其转换成电磁场能。真空电子器件广泛应用于卫星通信、雷达、遥感、电子战、空间探索和科学研究等方面，主要部件包括行波管、速调管、磁控管和返波管等。
一般来说，真空电子器件能达到的最高频率由制造技术决定，同时其产生的功率正比于频率平方分之一。由于功率密度的限制，真空电子器件目前的主要工作频段在0.22~1.0THz，功率在10mW~1MW（0.5~20％及以上的效率）。随着0.1~1.5THz宽带放大器和振荡器的进一步发展，瓦级功率的真空电子器件足以克服大气衰减，穿透雾、灰尘或其他气溶胶，促进新一代千兆移动通信网络、高分辨率雷达、遥感系统的发展。未来高功率太赫波段的真空电子器件将应用于成像、高空通信、非侵入性医疗诊断、材料表征、射电天文学和其他科学研究等。
3.加速器太赫兹辐射源
基于加速器的电磁辐射源已可产生真空紫外到X 射线频段的电磁波。而红外和太赫兹频段的基于加速器的辐射源在过去三十年，引起了越来越多的研究人员的兴趣。加速器辐射源的主要优点是独特的光谱亮度、功率、极值场和脉冲能量。加速器光源的首个应用是利用存储环产生高光谱亮度和高功率的红外光束，随后很快就出现了IR/THz自由电子激光器，最后又制造了超辐射源（超辐射源能量回收线性加速器的电子束长度小于辐射的波长）。
基于加速器的太赫兹源在全球范围内广泛使用。最常用的是同步红外辐射加速器，利用同步存储环产生红外光。尽管激光太赫兹源和热发射太赫兹源在1~30THz范围内的性能已经大幅提升，但同步红外辐射加速器依然是有限光谱测量和近场超宽带显微镜的主要光源。一些存储环可以在低α模式的特殊模式下运行，将电子束缩短到几皮秒来实现超辐射发射，以大幅增加低于1THz时的光谱功率。在这种模式中，辐射源可产生平均功率10mW的波束，使得多项材料光谱研究取得重大突破。首个能量回收线性加速器辐射源于2001年启用，比同步加速器在相同频段具有更高的功率，平均功率可达10W，峰值功率达到千瓦。这主要是由于采用了新的超导射频技术。除了高功率加速器辐射源外，低功率的自由电子激光器应用范围更广，在化学、生命科学等领域都有重要作用，如用于研究稀释系统或单个分子的红外光谱。
（二）太赫兹成像探测器
太赫兹成像探测器包括单探测器、阵列和焦平面阵列成像探测器等。成像器件的整体性能由光学特性（如光源功率、系统损耗和探测器灵敏度）决定。无论采用哪种成像方法，所有太赫兹成像系统都严重依赖照明光源的亮度和探测器的响应度。
时域成像系统使用光电导开关或诸如ZnSe晶体对短脉冲进行高速整流，具有较高的频率带宽，但系统的照明光源功率较低，可用同步检测来克服。由于照明光源的亮度低，图像采集时间通常比较长，需要进一步发展。
标量成像系统构建相对简单，但要求使用具有较高功率的太赫兹源。对1THz以下的成像系统，可使用由微波电子器件产生连续太赫兹波的光源，例如Gunn振荡器、返波管和二极管倍增源。而在中红外波段，量子级联激光器则有优异的性能，但需要冷却，并只能发射脉冲。
探测器的主要发展方向是改善噪声等效功率、响应度，提高集成潜力。
（三）光电导装置
光电导开关是生成和检测宽带太赫兹辐射的关键装置。20世纪80年代起，光电导开关就广泛应用于太赫兹时域光谱测量中。经过多年发展，原始半导体硅-蓝宝石光电导开关已被低温生长的砷化镓（GaAs）替代，而铟镓砷（InGaAs）和基于石墨烯的光电导开关正在快速发展，为太赫兹时域光谱测量提供低成本、便携式、稳定可靠的超短脉冲源。目前，单个半导体纳米粒子已用于制造光电导检测器，有望使微米和纳米电路与光学系统集成。当前基于光电导器件的太赫兹时域光谱系统的动态范围已经达到90dB，典型频谱覆盖0.05THz~2.6THz之间。
除使用的半导体材料变化之外，光电导开关的触点已从相对简单的蝴蝶结、偶极子或带状线结构发展到相当复杂的几何结构，尺寸从数百微米到几毫米，从而调节太赫兹辐射以及改善耦合到半导体中辐射的纳米特征，并限制半导体金属电荷传输时间。此外，还有一些设计引入了新型触点，允许检测太赫兹波的不同属性，使偏振等也可被太赫兹光谱测量使用，从而在单次太赫兹测量中提供两倍信息，并可能消除由双折射、光学活性等材料各向异性引起的模糊和伪像。
（四）无源太赫兹器件
随着太赫兹应用的快速发展，为了降低应用系统的成本、体积，无源器件开始被用于太赫兹波段。如导波结构相比准光学系统具有更好的绝缘性，更广的应用范围，并且无需光学对准即可与有源器件集成。虽然传输线（如微带、共面波导和共面条）实现了无源器件与混合/单片毫米波电路的集成，但会遭遇高的衬底和辐射损耗。此外，相对高的导通电流密度导致无源器件在太赫兹频率处有高损耗（欧姆），因此，室温下只能使用低品质因数/高衰减的无源器件。通常为了在室温下使用无源器件，需要增加片外谐振器/滤波器。目前有研究预测了基于传输线的单片THz滤波器的性能，但很少通过实验测量。
表面等离子体波导由于欧姆损耗高，其模式转换效率低、器件衰减高。然而，表面等离子体波导具有紧密的场约束、近场增强特性和克服衍射极限的能力，因此太赫兹频段的表面等离子体激元（SPP）器件在SPP集成电路领域有应用潜力。
在太赫兹频率下使用的高性能导波由三类材料制造：全金属，金属-电介质和全电介质。金属管波导已经存在了一个多世纪，但直到2016年，国际标准化组织才同意金属管波导运行在0.1THz频率以上，而IEEE P1785工作组则提出了高达5THz的标准，表明这种波导对工业应用的重要性正在日益增加。中空（空气填充）金属管矩形波导发展始于20世纪90年代初期，首先由美国喷气推进实验室（JPL）提出。此后，有一大批研究针对这种波导的频率提高和降低制造成本开展。2006年，英国太赫兹综合技术计划（TINTIN）展示了1.6THz的开槽H平面扇形喇叭天线。准单模运行的超大型电介质衬底金属管矩形/圆形波导概念于1963年提出，目前具有低损耗电介质材料的10倍波长直径的波导，在150GHz时，损耗低至0.0037dB/m，具有高损耗电介质材料的20倍波长直径的波导，在0.3THz时，损耗低于1dB/m。最近，镀银聚四氟乙烯圆形波导已被证明在1.0~1.6THz频率范围的传输损耗约为20dB/m。矩形电介质波导虽然避免了趋肤效应损耗，但绝缘效果较差。利用电介质波导边界的布拉格反射可提高光子晶体波导的场约束。Nielsen等人设计的可折叠聚合物光子晶体光纤，在0.6THz下具有<10dB/m的损耗，而在高电阻率硅中已经通过光子晶体谐振器将电场传感与集成电子器件组合在一起。
传统的光学元件同样适用于太赫兹频域，但相关器件性能远低于工作在短波长的器件。如，偏振器是在许多光学实验中的基本元件，使用时常需要高的消光比和宽带消光能力。线栅偏振器目前是太赫兹频率下的偏振器，但其消光比较低，且元件成本高。近年来，已有研究使用异质材料制造太赫兹偏振器，如液晶和碳纳米管，其消光比可达50dB。波片是另一种控制偏振的常用光学元件，在短波长区域由石英晶体制成，但在太赫兹频域存在双折射效应。而晶体波片只能在单一频率下工作。最近，Nagai等人利用堆叠波导结构，制造了工作在2.0~3.1THz的宽带波片。滤光片是光谱应用不可缺少的元件，金属网滤波器已可以用于毫米波段，正在向亚毫米波（即太赫兹）区域延伸。
三、美军在太赫兹领域的研究
太赫兹技术在发展早期就获得了美军关注，自1999年起，美军由国防高级研究计划局牵头，开展了一系列有关太赫兹的研究项目，以发展太赫兹基础器件。此外，国防高级研究计划局在2014年和2017年分别推出“成像雷达先进扫描技术计划”（ASTIR）和“电子复兴计划”（ERI），以推动太赫兹的具体应用。
（蓝海星：周智伟）