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太赫兹（THz）技术及其在深空探测中的应用

余小游，李仁发，余方，谌晓明，李斌

（湖南大学计算机与通信学院，湖南长沙410006）

摘要：随着微纳器件工艺的长足进步，太赫兹波的产生、探测与发射已经成为可能，消除电磁波
谱中的太赫兹空隙指日可待。太赫兹技术在深空探测遥感成像、深空探测通信方面的应用前景十分广阔。
本文在简要介绍太赫兹基本理论和技术（简称THz技术）的基础上，对其应用于深空探测的前景进行初
步探讨。

入大量人力、物力和财力进行相应的基础性理论
1引言研究和技术应用开发。
美国：THz技术在美国得到了很大的重视和
太赫兹波是指频率介于0.1-10THz之间的电发展，2004年被列为改变未来世界的十大技术之
磁波（波长为），是处于毫米波和红外波之间的一，在2006年被列为美国防重点科学，目前美国
相当宽范围的电磁辐射区域，涵盖了毫米波（0.03有多个政府机构和民间企业和机构正在积极研究
－0.3THz）高端（0.1－0.3THz）、亚毫米波（0.3此项技术，包括美国宇航局（NASA）、美国国
－3THz）、远红外波（0.3－6TGHz）、中红外波防部（DARPA）、NSF、LLNL、LBNL、JPL、
（6－120THz）低端（6-10THz）的广泛波谱区域。BNL、ALS、Bell、IBM等，目前已经研究出的标
太赫兹波虽然广泛存在于自然界，如人体热辐射、志性成果是0.225THz机栽雷达。
生物大分子的振动和转动频率、天体辐射到地球欧洲：欧洲主要有STARTIGER、IST、
的电磁波中的大部分、约50%的宇宙空间光子能THz-Bridge、Teravision、NanoTera、WANTED
量、大量星际分子的特征谱线等都处于太赫兹频等机构，制定的研究主题有THz辐射成像
段，但长期以来，由于缺乏有效的太赫兹辐射产（2004-2008），分子生物学研究（2004-2009），
生和检测方法，导致太赫兹频段的电磁波未得到THz空间天文学（2005-2009），THz遥感
充分的研究和应用，这个现象被称为电磁波谱中（2005-2012），光子带隙材料（2004-2009），
的“太赫兹空隙”。微机械探测器（2006-2015）年，标志性成果是研
太赫兹波段处于电子学和光子学的交叉区制出THz远距离检测系统（2006年重大项目）。
域，太赫兹波的理论研究也处在经典电磁场理论日本：日本政府在2005年1月也把太赫兹技术
和量子跃迁理论的过渡区，其性质表现出一系列确立为今后十年内重点开发的“国家支柱技术十
不同于其他电磁辐射的特殊性，从而可广泛应用大重点战略目标”之首，并列入日本政府从2006
于波谱分析、成像和通信等领域。太赫兹波又被年开始到2010年结束的第三期科学技术基本计划
称为T-射线，它在物理学、材料科学、医学和遥予以支持。除此之外，日本还与欧美合作，成立
感成像、射电天文、宽带保密通信、深空探测测ALMA计划，建设全球最大的射电天文亚毫米波
控通信方面具有重大的应用前景。干涉阵，计划投资10亿美元，每年开展三方研讨
会，该计划受到欧美日政府的高度重视。日本在
2THz技术的研究现状研制太赫兹技术的标志性成功是2006年研制出
1.5公里THz无线通信演示系统，完成世界上首例
通信演示。
太赫兹空隙现象存在多后，随着60GHz以下THz
电磁波频段的日益拥挤、以及应用的不断发展需中国：中国科学院物理所建立了国内第一台
要，太赫兹波段成为人们重点关注的对象，太赫THz光谱测量系统【2】，并对GaAs中载流子的超快
兹科学和技术也成为倍受各国政府支持和重视的弛豫过程以及GaAs／Au界面电场的快速变化过
先进科学技术，欧、美、日、俄等国家和地区投程进行了较深入的研究；由姚建铨院士带领的天

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津大学激光与光电子研究所在周期极化结构及性质有重要意义；
LiNbO3(PPLN)方面已经进行了大量的研究工作；(6)凝聚态体系的声子吸收很多位于THz波
西安理工大学超快光电技术研究中心在用超短激段，自由电子对THz波也有很强的吸收和散射，
光脉冲触发光电导开关产生THz射线方面也有一THz技术将成为一个研究凝聚态材料中物理过程
定的突破。中国科学院上海微系统与信息技术研的很好的工具。
究所的曹俊诚等在包括THz物理、器件及其应用(7)对黑体辐射(热背景)不敏感。室温下，一
方面取得了一系列的研究成果。中国科学院上海般物体有热辐射，这一辐射大约对应6THz。从
应用物理所和首都师范大学在利用THz时域光谱宇宙大爆炸中产生的宇宙背景辐射有一半都在光
技术研究材料光谱特性方面也取得一定的研究进谱中的THz部分。
展。
4THz技术非常适合于深空探测通信
3THz技术的主要特点[2]
THz波在太空通信方