太赫茲波指的是頻率在 0.1 到 10 太赫茲之間的一段電磁波，夾在微波與紅外之間。它既不像微波那樣能用電子器件直接振蕩產(chǎn)生，也不像可見光那樣有現(xiàn)成的激光器，因此長(zhǎng)期是電磁波譜上開發(fā)得最晚的一段。

轉(zhuǎn)折出現(xiàn)在超快激光成熟之后：用飛秒激光脈沖去驅(qū)動(dòng)特定的材料，可以把光脈沖直接轉(zhuǎn)換成太赫茲脈沖。今天主流的太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)，核心就是一臺(tái)飛秒激光器加一對(duì)發(fā)射與探測(cè)器件。

一、太赫茲在電磁波譜上的位置

從頻率上排，它位于毫米波與紅外之間：波長(zhǎng)大約三十微米到三毫米。這一段之所以長(zhǎng)期難以利用，是因?yàn)閺膬啥巳蚨級(jí)虿恢獜碾娮訉W(xué)這邊往上走，振蕩器與倍頻鏈的頻率越高功率越小，到幾百吉赫茲已經(jīng)很吃力；從光子學(xué)這邊往下走，半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)受材料帶隙限制，也難以做到遠(yuǎn)紅外。兩端之間留下一段空檔，被稱為太赫茲鴻溝。

圖1：位置與特點(diǎn)

太赫茲波有三個(gè)特點(diǎn)決定了它的應(yīng)用方向。第一，能穿透許多非金屬材料——塑料、紙張、陶瓷、布料都能透過，而金屬不透。第二，光子能量很低，只有毫電子伏量級(jí)，不會(huì)造成電離損傷，因此對(duì)生物樣品與人體是安全的。第三，許多分子在這一波段有特征吸收，包括不少炸-藥、毒-品以及藥物的不同晶型，這構(gòu)成了所謂指紋譜。

同時(shí)它也有個(gè)明顯的短板：對(duì)水極為敏感。水在太赫茲段吸收很強(qiáng)，因此含水樣品衰減大，潮濕空氣中的傳輸距離也短。

二、光電導(dǎo)天線：用飛秒光脈沖打出電流突變

最常見的產(chǎn)生方式之一是光電導(dǎo)天線。它的結(jié)構(gòu)不復(fù)雜：在一塊半導(dǎo)體襯底上做兩條金屬電極，電極之間加上直流偏置，然后用飛秒激光脈沖照在兩電極之間的縫隙上。

圖2：光電導(dǎo)天線的原理

光子能量大于半導(dǎo)體帶隙，于是產(chǎn)生電子空穴對(duì)；這些載流子在偏置電場(chǎng)下向兩極運(yùn)動(dòng)，形成瞬態(tài)電流；電流在皮秒量級(jí)內(nèi)急劇變化，變化的電流就會(huì)向外輻射電磁波，頻率正好落在太赫茲。

這里的關(guān)鍵是載流子壽命要足夠短。壽命越短，電流突變?cè)娇欤椛渲械母哳l成分就越豐富。常用的材料是低溫生長(zhǎng)的砷化鎵，它的載流子壽命可以短到亞皮秒。襯底還要是半絕緣的，以減少暗電流、提高耐壓。

電極通常做成天線形狀，以提高輻射效率，同時(shí)也決定了輻射的方向性。偏置電壓不能無限加大——受擊穿與發(fā)熱限制，因此這類源的輸出功率通常在微瓦到毫瓦量級(jí)，這也是當(dāng)前太赫茲系統(tǒng)信噪比受限的主要原因之一。

三、另一條路：非線性晶體里的差頻與電光采樣

除了光電導(dǎo)天線，另一條主流路線完-全建立在非線性光學(xué)上，產(chǎn)生與探測(cè)分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)互逆的過程。

圖3：光學(xué)整流與電光采樣

產(chǎn)生用光學(xué)整流：一個(gè)飛秒脈沖內(nèi)部包含許多頻率成分，當(dāng)它在非線性晶體中傳播時(shí)，不同頻率成分之間發(fā)生差頻，輸出頻率為 ω1 ? ω2 的輻射，正好落在太赫茲。常用的晶體有碲化鋅、磷化鎵，以及某些有機(jī)晶體。

探測(cè)用電光采樣：讓太赫茲場(chǎng)與探測(cè)光同時(shí)作用在電光晶體上，太赫茲場(chǎng)改變晶體的折射率，進(jìn)而改變探測(cè)光的偏振狀態(tài)。測(cè)出偏振的變化量，就得到了太赫茲電場(chǎng)的瞬時(shí)值。

兩種探測(cè)方式的差別在于：光電導(dǎo)采樣靠天線產(chǎn)生光電流，需要偏置與天線結(jié)構(gòu)，帶寬較寬、結(jié)構(gòu)成熟；電光采樣靠晶體改變偏振，帶寬更寬且沒有天線諧振帶來的頻率結(jié)構(gòu)，但對(duì)晶體與光路對(duì)準(zhǔn)的要求更高。

這兩個(gè)過程有幾個(gè)共同前提。必須用超短脈沖——飛秒激光是整套系統(tǒng)的核心部件。晶體中需要相位匹配，光與太赫茲的相速度要匹配，否則轉(zhuǎn)換效率會(huì)明顯下降。晶體自身在特定頻率有吸收帶，這限制了可用帶寬。另外，產(chǎn)生與探測(cè)兩路光之間的延遲要由機(jī)械延遲線精確控制，這是時(shí)域掃描的基礎(chǔ)。

四、時(shí)域光譜：測(cè)波形而不是測(cè)強(qiáng)度

這套方法最特別的地方在于，它測(cè)的是太赫茲電場(chǎng)隨時(shí)間變化的完整波形，而不是某一個(gè)頻率上的強(qiáng)度。

做法是移動(dòng)延遲線，讓探測(cè)脈沖相對(duì)于太赫茲脈沖逐個(gè)時(shí)刻錯(cuò)開，每次只測(cè)一個(gè)時(shí)刻的場(chǎng)強(qiáng)，掃完一整段就得到完整的波形。這個(gè)過程相當(dāng)于用一束極短的快門，把太赫茲脈沖的每一個(gè)瞬間依次記錄下來。

圖4：時(shí)域波形與頻譜

實(shí)際測(cè)量時(shí)通常先測(cè)一條參考波形（不放樣品），再測(cè)一條透過樣品后的波形。兩條對(duì)比，樣品的信息就出來了：透過樣品后波形會(huì)變?nèi)酢⒆儗挕⒉⑶已雍蟆?duì)兩條波形分別做傅里葉變換，再取比值，就得到樣品的透過率譜，吸收處會(huì)出現(xiàn)明顯的凹陷。

直接測(cè)電場(chǎng)而不是測(cè)強(qiáng)度，帶來幾個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)。同時(shí)得到振幅與相位，因此可以直接算出折射率與吸收系數(shù)，不需要借助克拉默-克勒尼希關(guān)系做額外推導(dǎo)。相干探測(cè)使背景熱輻射基本不影響結(jié)果，靈敏度高。一個(gè)脈沖的頻譜就能覆蓋多個(gè)太赫茲，一次測(cè)量即得寬帶信息。此外它還具備時(shí)間分辨能力，可用于觀察超快動(dòng)力學(xué)過程。

五、太赫茲用在哪

目前的成熟應(yīng)用主要集中在幾類場(chǎng)景。

圖5：主要應(yīng)用方向

安全檢查是最為人熟知的一類：太赫茲能穿透衣物與包裝，許多違禁品在這一波段有特征吸收，而且不電離，對(duì)人員安全。材料與無損檢測(cè)則可測(cè)厚度、涂層與內(nèi)部缺陷，對(duì)非金屬材料透過性好，可用于在線檢測(cè)。

藥品與晶型分析是個(gè)很有意思的方向：同一種藥物的不同晶型，化學(xué)組成完-全相同，但在太赫茲段的吸收譜不同，因此晶型差異可以被分辨出來。這在藥物質(zhì)量控制上有實(shí)際價(jià)值。

通信方向的吸引力在于帶寬大，適合短距高速鏈路，但受大氣衰減限制，距離通常較短。科學(xué)研究上，太赫茲可用于測(cè)量超導(dǎo)能隙、分子轉(zhuǎn)動(dòng)譜與超快動(dòng)力學(xué)過程。生物與醫(yī)學(xué)方面，由于水吸收強(qiáng)，穿透深度有限，反而適合表層成像與含水分析。

當(dāng)前的主要限制有幾條：源的輸出功率偏低，信噪比受限；水吸收強(qiáng)，含水樣品與潮濕空氣中衰減很快；系統(tǒng)需要飛秒激光器與精密延遲線，成本較高；計(jì)量與測(cè)試方法仍在完-善中。因此多數(shù)應(yīng)用目前集中在實(shí)驗(yàn)室與特定工業(yè)場(chǎng)景。

六、太赫茲系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)

評(píng)估一套太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)，通常看這幾個(gè)數(shù)。

頻譜范圍決定能測(cè)到哪些特征譜，常見是零點(diǎn)幾到數(shù)太赫茲，受源與探測(cè)器共同限制。頻譜分辨率由掃描長(zhǎng)度決定——延遲線掃得越長(zhǎng)，分辨率越高，因此提高分辨率必然拉長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間。

動(dòng)態(tài)范圍是最-強(qiáng)信號(hào)與噪聲之比，通常在五十分貝到七十分貝，視平均次數(shù)而定，它決定了弱吸收能否被測(cè)出。信噪比隨平均次數(shù)的平方根改善，因此平均次數(shù)翻四倍，信噪比才提高一倍，這直接影響測(cè)量速度。

最后是掃描速率，即每秒可采集的波形數(shù)。傳統(tǒng)機(jī)械延遲線較慢，采用快速延遲線或異步采樣可顯著提高，這決定了成像與在線檢測(cè)能否實(shí)用。

圖6：關(guān)鍵參數(shù)

還有一點(diǎn)值得留意：濕度對(duì)測(cè)量結(jié)果影響明顯。水蒸氣在太赫茲段有大量吸收線，會(huì)把樣品信號(hào)淹沒，因此多數(shù)系統(tǒng)需要干燥空氣或氮?dú)獯祾撸蛘甙压饴烦槌烧婵铡＿@一條在搭建系統(tǒng)時(shí)容易被低估。

七、總結(jié)

太赫茲波的特別之處在于位置：它夾在電子學(xué)與光子學(xué)之間，兩端都?jí)虿恢虼碎L(zhǎng)期難以利用。超快激光的出現(xiàn)改變了這一點(diǎn)，用飛秒脈沖驅(qū)動(dòng)光電導(dǎo)天線或非線性晶體，就能把光脈沖直接轉(zhuǎn)換成太赫茲脈沖。

產(chǎn)生有兩條主流路線：光電導(dǎo)天線靠飛秒光激發(fā)載流子、在偏置下形成皮秒級(jí)電流突變而輻射；光學(xué)整流靠非線性晶體中的差頻過程。

探測(cè)同樣有兩條：光電導(dǎo)采樣測(cè)天線產(chǎn)生的光電流，電光采樣測(cè)太赫茲場(chǎng)對(duì)探測(cè)光偏振的改變——后者帶寬更寬，且無天線諧振。

時(shí)域光譜測(cè)的是電場(chǎng)波形而非強(qiáng)度，因此同時(shí)得到振幅與相位，可直接算出折射率與吸收系數(shù)，無需額外推導(dǎo)。

這幾個(gè)指標(biāo)之間存在相互制約：頻譜分辨率由掃描長(zhǎng)度決定，提高分辨率就要拉長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間；信噪比隨平均次數(shù)改善，但平均次數(shù)越多速度越慢；而帶寬與功率往往也難以同時(shí)提高。規(guī)格書上的數(shù)值通常是在特定濕度、平均次數(shù)與光路條件下測(cè)得，采用前最好先確認(rèn)測(cè)量條件是否與自己的場(chǎng)景一致。

另外，水蒸氣在太赫茲段有強(qiáng)吸收，測(cè)量時(shí)通常需要干燥空氣或氮?dú)獯祾撸贿@一點(diǎn)在搭建系統(tǒng)階段容易被忽略，卻是能否得到可靠數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。