1.1　THz波

麥克斯韋方程組打開了人類對電磁波的認知大門，此后人類開始嘗試產生、探測、操控電磁波，并嘗試在各個頻率范圍應用電磁波。對于低頻電磁波，人們通常采用經典電磁學技術來獲得；對于高頻電磁波，人們則利用光學和量子力學技術制造輻射源（如發光二極管、半導體激光器等）來獲得。然而，當電子學技術和光學技術用于研究夾在二者之間的電磁頻段（如THz頻段）時，則面臨材料響應速度、器件加工難度，以及系統集成技術等方面的難題與挑戰，因此THz頻段長期未得到開發和利用，它被稱為“THz間隙”或“THz空白”，如圖1-1所示。THz頻段在未獲得正式命名時被稱為“亞毫米波”，在微波技術領域被定義為極高頻區，在光學領域被稱為遠紅外區。隨著人們對電磁頻譜認識的深入和科學技術的快速發展，該頻段的重要特性和潛在應用市場逐漸被人們察覺。因此，自20世紀末開始，全世界掀起了THz科學與技術研究的熱潮，并延續至今。

1.1.1　從紅外探測到THz波的發現

說起THz波的起源，首先得從紅外探測談起。1800年，德國科學家Herschel在三棱鏡分光實驗中發現，在紅外這一肉眼不可見的區域，溫度計也有示數變化，他猜測一定存在看不見的光子，圖1-2所示為該實驗的裝置示意。受限于當時人類對大自然的認知水平，他將這部分不可見的光子的產生歸因于紅外輻射。為了紀念對發現紅外輻射有巨大貢獻的Herschel，人們將后來的紅外空間望遠鏡命名為“Herschel”。

圖1-1　THz頻段與電子學、光學技術的關系

圖1-2　三棱鏡分光實驗裝置示意

在Herschel發現紅外輻射之后的20年里，除了確定紅外輻射遵循簡單的光學定律之外，科學界幾乎沒有任何進展，因此并未對紅外輻射進行充分的開發和利用。這主要是由于缺乏靈敏且精確的探測器。19世紀20年代，Seebeck開始研究導電材料結點處的行為。1821年，Seebeck發現澤貝克效應，即兩種導體或半導體接觸產生溫差電動勢，在紅外光照射下會產生一個電壓。在那個時期，大多數的物理學家都認為熱和光是不同的現象，Seebeck的發現間接引發了關于熱本質的討論。Seebeck實驗中的輸出電壓系數很小，為μV/K量級，因此無法用于測量非常小的溫差。

1829年，Nobili依據Seebeck發現的熱電效應將幾個熱電偶連接起來，制作了第一個熱電堆探測器。在后來的實驗中，也有科學家將銻化鉍作為熱電堆材料，從而大幅提高了紅外探測的靈敏度。1833年，Melloni提出了將幾個鉍銅熱電偶串聯起來的想法，研制出的紅外熱電堆探測器的探測距離可達10m，這在當時是非常令人震驚的。這種熱電堆結構的輸出電壓隨著熱電偶數量的增加而線性增加。

1880年，Langley將兩個厚度很薄的鉑帶連接起來形成惠斯通電橋的兩個臂，從而研制出鉑帶測輻射熱計。這臺儀器的出現使他可以研究遠至紅外區域的太陽輻照度，并測量不同波長對應的太陽輻照度。測輻射熱計的靈敏度比熱電堆探測器的靈敏度高得多。Langley在接下來的20年里繼續發展測溫儀，成功將靈敏度提高了400倍。他設計的探測器可探測到400m外的奶牛散發的熱量，這在當時是了不起的開創性工作（現在人體測溫也僅能在幾米距離內進行）。圖1-3展示了紅外探測器的發展歷程。

圖1-3　紅外探測器的發展歷程

那么，紅外探測和THz波之間有什么聯系呢？實際上，從波長來看，THz波是紅外波段沿長波長方向的延伸。THz波的起源如圖1-4所示。1865年，麥克斯韋提出麥克斯韋方程組，并預測“光是電磁波”，可通過電生磁、磁生電的工作原理產生和探測電磁輻射。

1887年，赫茲在一次放電實驗中偶然發現電磁共振現象，隨后用火花間隙發生器產生和探測到電磁波。著名的赫茲實驗采用的實驗裝置實際上是充放電裝置，赫茲后來通過這個裝置測量了電磁波的波長、頻率、速度，發現與麥克斯韋的預言一致，從而證實了電磁波的存在，電磁波“誕生于世”。但是，赫茲實驗中的電磁波頻率很低，后來科學家從電子學和光學角度考慮提取THz頻段。

圖1-4　THz波的起源

1895年，Lebedev使用類似赫茲實驗中的裝置產生并探測到波長為6mm的電磁波。1896年，Lampa報告了類似的4mm波長電磁波的探測結果。1897年，Rubens等人研制出基于測輻射熱計的光譜儀，并使用紅外熱源和多個反射板來分離一個非常窄的波長帶，產生了波長大于50μm的單色光，首次在實驗中探測到THz波。

上述實驗具有非常重大的意義，因為在這些實驗之前，人們沒有辦法標定THz頻段的輻射能量分布。這個實驗為普朗克提供了THz頻段的輻射能量分布，為普朗克黑體輻射理論的確立奠定了重要基礎。20世紀20年代，普朗克對Rubens等科學家做出了高度評價。如果沒有他們的實驗數據支撐，普朗克理論，甚至后來的量子理論不一定會取得開創性的進展。最終，“Terahertz”這個單詞出現于1974年，Fleming首次使用這個單詞來描述邁克耳孫干涉儀所覆蓋的一段頻譜。

1.1.2　THz波在電磁頻譜中的位置

那么，到底什么是THz波？THz波位于微波與紅外波段之間，通常被定義為0.1～10THz頻段的電磁波。1THz對應周期為1ps，對應波長為300μm，對應光子能量為4.1meV，輻射亮溫對應47.6K。近年來，隨著THz科學與技術的快速發展，THz頻段的定義也有所擴展，圖1-5展示了THz波在電磁頻譜中的位置及其頻段的擴展。低頻段擴展到幾十GHz的電磁波有時也被人們稱為THz波，高達100THz的頻段有時也被人們稱為THz頻段，這使得該頻段的頻率定義不那么嚴格。因此，THz頻段的覆蓋范圍是微波與毫米波覆蓋范圍之和的30倍以上，是各個國家競相搶占的戰略資源，在軍用和民用領域都存在大量應用需求。但是，該頻段一直處于電子學與光學的交界處，尚未得到充分開發和利用。

圖1-5　THz波在電磁頻譜中的位置及其頻段的擴展

1.1.3　THz波的特點

THz波之所以受到廣泛關注，與它的一些特點有關。隨著電磁頻譜被一步步劃分和利用，THz波也得到更廣泛的研究與應用。由于處在電磁頻譜中的獨特頻段，THz波具有以下特點（見圖1-6）。

圖1-6　THz波特點及其對應的應用場景

（1）高頻率：相較于傳統的無線通信電磁波，THz波具有更高的載波頻率，使得其在高速無線通信技術中有巨大的優勢，是未來6G無線通信技術的有力支撐。

（2）超寬帶：基于光導天線的連續波THz系統目前可以覆蓋0.1～2.75THz頻段，而部分超快脈沖式THz系統的頻譜寬度甚至超過了30THz。如此寬的頻段有助于其在物質鑒別、智能感知等領域發揮獨一無二的作用。

（3）超高速：THz波的帶寬大約是長波、中波、短波、微波總帶寬（30GHz）的1000倍，由香農定理（最大傳輸速率與帶寬成正比）可以得到THz波的傳輸速率為幾百Gbit/s。

（4）穿透性：對于衣物、紙張等不導電的物質，THz波具有非常好的穿透性。對于導電性好的金屬和液態水等，THz波很容易被反射和吸收。基于這個特點，THz波可穿透非極性分子材料并獲得更高的空間成像分辨率，在安檢成像方面已展現出重要應用價值。

（5）低光子能量：1THz的THz波對應的單光子能量約為4.1meV，對應許多凝聚態物質的費米能級，因此THz波可以用于冷光源激勵和調控新奇量子物態，服務量子計算與量子傳感。不僅如此，低光子能量賦予THz波安全性，在電場強度不是太大的情況下，不容易對生物組織產生電離輻射等副作用，可用于生物組織檢測。

（6）保密性：THz波頻率高、波長短、方向性好，在未來無線通信應用方面，有望制備光斑發散角小、方向性好的收發設備，減少信道間干擾，具有很好的保密性。