《太赫兹科学与电子信息学报》2024年第12期专栏征稿主题:太赫兹成像感知技术

成像是人类认识世界最直接的方式,太赫兹波作为最后一个被开发的电磁波段,为科学探索和工业应用提供了新的视野,其包含的物质指纹,可作为分子级的识别手段。受限于波长的物理尺度,其成像分辨率距离人们的期望还有一定距离;太赫兹光谱传递了什么信息、该如何应用,仍需要深入探索。本专题拟对此进行探讨。

基于半导体光子学器件的太赫兹成像技术研究进展

太赫兹(THz)成像是THz技术应用的重要方向之一。基于THz量子级联激光器(QCL)和THz量子阱探测器(QWP)等半导体光子学器件的THz成像系统具有结构紧凑、空间分辨率高、成像信噪比较高等优点,已成为当前研究的热点领域。对国内外关于THz QCL和THz QWP器件在远场和近场成像应用方面的研究进行了系统综述,分析了THz成像系统的构成和成像效果,总结了各THz成像系统的性能参数情况,并探讨了THz成像系统性能提升的途径及其应用前景。

太赫兹通信物理层安全技术发展研究

在太赫兹通信技术快速发展的背景下,建筑遮挡、恶劣天气等原因导致的复杂、弥散信道对通信安全性、可靠性提出新的挑战。太赫兹通信的保密属性在通信网络的广域性下隐含泄露、窃听等风险,研究现有的加密和防窃听手段在太赫兹通信中的可行性,推动物理层安全技术的创新与应用,实现信息的稳定安全传输,成为具备研究价值的热点问题。本文从安全通信角度出发,分析部分现有物理层加密与防窃听方法,总结其在太赫兹通信领域中的融合应用与效果,并对其未来发展趋势进行展望。

太赫兹无损检测在文物保护领域的研究进展

为更好地设计基于不同材料、不同制作工艺文物的最佳保护方案,文物保护科技人员首先需要选用最有效的无损检测方法对文物进行全面检测。太赫兹波具有光子能量低、对非金属和非极性物质有较强穿透性、可同时获得脉冲电场振幅和相位信息、较好的抗干扰能力等独特性质,使其在诸多无损检测方法中脱颖而出。本文系统综述了太赫兹技术在文物无损检测应用中的最新研究进展;阐述了不同类型文物材料的太赫兹光谱特征、太赫兹成像检测技术原理和特点;指出了太赫兹无损检测技术对不同类型文物进行无损检测的技术关键点,列举了太赫兹技术在文物科学领域最成功和最具代表性的应用实例。最后展望了太赫兹无损检测技术在文物保护领域的发展趋势。

太赫兹量子级联激光器及其光束表征技术

简要介绍太赫兹量子级联激光器(THz QCL)的工作原理及其进展。研究多个器件输出激光的光束质量,分别采用热探测器阵列和THz量子阱探测器(THz QWP)表征连续激射和脉冲激射THz QCL激光的光束图形,对比分析不同热探测器阵列对THz激光的表征能力,比较热探测器阵列和THz照相机对平行THz激光表征的差异。分析光束改善后THz激光光斑的尺寸、二维强度分布等特点,根据对THz QCL输出激光的改善效果,给出采用外部手段改善THz QCL激光光束的几种方法。研究表明,除了采用精细的波导工艺之外,锗(Ge)透镜、超半球高阻硅透镜和聚乙烯透镜都是外部改善技术中很好的手段。

太赫兹探测与通信技术新进展

回顾了太赫兹技术的最新进展,并总结了未来的几个重要方向,重点介绍几种关键的太赫兹技术,包括太赫兹源、太赫兹传输、太赫兹调制和太赫兹检测。简要介绍了当前太赫兹技术的发展现状和应用情况,如射电天文学、物体无损检测、医疗成像、安检等太赫兹探测应用和太赫兹通信概况。对太赫兹探测和通信最新技术进展进行了回顾,给出了该领域的前瞻研究方向。

半导体超晶格太赫兹倍频器研究

提出一种基于电场驱动的GaAs基微带超晶格高阶谐波产生的太赫兹倍频器,利用平衡方程方法分析了倍频器在磁场下峰值功率输出和在参数空间(Edc,Eac)的分布情况。研究表明,在(Edc,Eac)的参数平面内,磁场对二次和三次谐波功率的峰值影响不大,但磁场会拓宽谐波输出功率的峰值区域,提高在(Edc,Eac)参数空间内输出峰值功率的概率。当Eac确定时,谐波发射功率峰值的位置会受到直流电场产生的布洛赫振荡频率fB、交流电场产生的调制布洛赫振荡频率fM B和磁场引起的回旋振荡频率fc的影响而发生变化。研究表明,基于半导体超晶格的太赫兹倍频器是很有应用潜力的太赫兹波发生器件。

太赫兹量子器件及其成像实验研究

本文简要介绍了工作于太赫兹(THz)波段的量子级联激光器、量子阱探测器的研究进展,主要介绍了器件在THz成像方面的实验研究,包括被动成像技术和扫描透射成像技术,其中扫描透射成像的最佳分辨率为0.5 mm。

6G技术发展愿景与太赫兹通信

6G无线网络预计在未来提供全球覆盖、高频谱效率、低成本、高安全性、更高智能水平的服务,为人类社会打造一个无处不在的智能移动网络.太赫兹无线通信具有高数据传输速率、低延时和抗干扰等特点,有望在6G技术中得到广泛的应用.本文主要介绍了6G技术的规划愿景、发展现状及其关键技术,分析了太赫兹器件、信道、通信系统以及6G技术可能的发展趋势.

太赫兹量子级联激光器光频梳射频传输

针对太赫兹量子级联激光器光频梳射频信号提取与传输存在的阻抗不匹配问题,设计并提出了一种输入阻抗为20Ω、输出阻抗为50Ω的渐变微带线结构,研究了该结构的准TEM模电场分布,并根据S参数建立了相应的LC等效电路模型分析其物理机理。实验中,将渐变微带线结构应用于太赫兹量子级联激光器光频梳射频信号提取与测试,以验证渐变微带线传输射频信号效果,成功测量得到太赫兹量子级联激光器重复频率,其线宽为3.7 kHz,信噪比达到60 dB,在注入电流为700~900 mA范围内重复频率表现为稳定的单模信号,测量得到的最大保持和幅度艾伦方差结果同样表现出重复频率的稳定性。实验结果表明,所设计的渐变微带线具有良好的阻抗匹配效果,能够实现对太赫兹量子级联激光器光频梳射频信号稳定的提取和传输。

基于太赫兹量子阱光电探测器的成像技术研究进展

太赫兹(THz)波对非极性材料有较好的穿透性,对生物医学组织无电离效应,因而非常适合无损检测、生物医学成像等应用。THz量子阱光电探测器(THz QWPs)具有响应速度快、响应率高、噪声等效功率低、体积小的特点。相较于其他探测器,THz QWPs作为成像系统接收器时,系统具有成像分辨率高、成像速度快、成像信噪比高、结构紧凑等优势。本文综述了基于THz QWPs的成像研究进展,并对成像系统核心指标的影响因素进行了分析和总结。采用更稳定的装置固定THz QWPs,提升器件响应速度、探测灵敏度、阵列规模,可以有效提升系统各项核心性能。

硅基太赫兹频率源关键技术研究进展综述

随着太赫兹技术的发展,由于太赫兹THz(Terahertz)频段具有丰富的频谱资源和相对宽的带宽优势,因此太赫兹频率源表现出广泛的应用前景,如超高速短距无线/有线通信、雷达、医疗、成像和遥感传感器等。本文总结了硅基太赫兹频率源的最新研究成果和存在的问题,概述了近二十年来太赫兹倍频器、太赫兹振荡器、太赫兹天线、太赫兹辐射源、太赫兹辐射源阵列等方面的研究进展,并对硅基太赫兹频率源的发展方向和未来热点进行了展望。

基于石墨烯互补超表面的可调谐太赫兹吸波体

通过在石墨烯超表面设计周期性切条,实现了基于石墨烯互补超表面的可调谐太赫兹吸波体.通过改变外加电压来改变石墨烯的费米能级,吸波体实现频率可调谐特性.研究了石墨烯费米能级、结构尺寸对超材料吸波体吸收特性的影响,并利用多重反射理论研究了其物理机理并且证明了模拟方法的可行性.研究结果表明:当石墨烯费米能级取0.6 eV,基底厚度13μm,石墨烯上切条长宽分别为2.9μm,0.1μm时,吸波体在1.865 THz可以实现99.9%的完美吸收;石墨烯费米能级从0.4 eV增大到0.9 eV,吸波体共振频率从1.596 THz蓝移到2.168 THz,且伴随共振吸收率的改变,吸收率在0.6 eV时达到最大;通过改变费米能级实现的最大吸收率调制度达84.55%.

基于太赫兹量子级联激光器的实时成像研究进展

太赫兹(THz)实时成像是THz技术中颇具潜力的一个领域,具有成像速度快、成像分辨率高等特点,基于THz量子级联激光器(QCL)的实时成像系统是其中最重要的一种,系统体积小、重量轻、成像信噪比高等特点使其在实际应用中具有独特的优势。本文主要介绍了THz QCL器件及其实时成像系统的研究进展,采用超半球高阻硅透镜改善了THz QCL的输出激光,实现了准高斯光束输出,搭建了基于二维摆镜消干涉技术的THz实时成像系统,单帧成像光斑面积45mm×30 mm,实现了对刀片、药片的实时成像演示,成像分辨率优于0.5 mm;最后对成像系统激光源、成像光路和探测端的改进以及成像效果的改善方面进行了综述,并探讨了THz实时成像系统未来的发展趋势及其在材料分析和生物医学成像方面的应用前景。

高速太赫兹探测器

太赫兹(terahertz,THz)技术在高速空间通信、外差探测、生物医学、无损检测和国家安全等领域具有广阔的应用前景.能响应1 GHz调制速率以上THz光的高速THz探测器是快速成像、THz高速空间通信、超快光谱学应用技术和THz外差探测等领域的核心器件.传统的THz热探测器难以实现高速工作,而基于半导体的THz探测器在理论上可实现高速工作.光导天线具有超快的响应速度,可实现常温和宽谱探测;肖特基势垒二极管混频器、超导-绝缘体-超导混频器和超导热电子混频器具有转换效率高、噪声低等优点,可用于高速THz空间外差和直接探测;基于高迁移率二维电子气的天线耦合场效应晶体管灵敏度高、阻抗低,可实现常温高速THz探测;THz量子阱探测器是一种基于子带间跃迁原理的单极器件,非常适合高频和高速探测应用,亚波长金属微腔耦合机理可显著提高器件的工作温度及光子吸收效率.本文对上述几种高速THz探测器进行了综述并分析了各种探测器的优缺点.

基于石墨烯的太赫兹器件研究进展

石墨烯是一种零带隙二维的半导体材料,具有极高的载流子迁移率,优异的机械、电学、热学和光学等性能.在太赫兹辐射源、调制器和探测器件的研究中,石墨烯材料具有独特的优势.本文以石墨烯材料在太赫兹辐射源、调制器以及探测器等器件方面的应用为主,综述了石墨烯太赫兹器件的最新研究进展.

AgGaSe2晶体差频产生可调谐太赫兹波的理论研究

基于单轴晶体中三波互作用的共线相位匹配技术,采用CO2激光器泵浦非线性晶体AgGaSe2,数值计算出在oee类和oeo类相位匹配条件下,差频产生太赫兹波的相位匹配角、走离角、允许角和有效非线性系数。计算结果表明:两类相位匹配太赫兹波可调谐的范围都非常宽,而且走离角都在1°以下,允许角足够大。在绝大部分太赫兹波区域,oee类匹配有效非线性系数远大于oeo类匹配,实验中适合采用oee类相位匹配方式。

GaAs参量振荡产生太赫兹波的腔相位匹配研究

基于腔相位匹配的方法,研究了GaAs微片状晶体构成的光学微腔光参量振荡产生太赫兹波的条件与参数设计。计算了腔相位匹配下GaAs晶体的最优化腔长,通过调节GaAs晶体的温度研究了太赫兹波的输出情况,模拟了不同波长下最低的能量阈值。结果表明,在完全相位匹配很难实现的情况下,采用腔相位匹配能很容易地实现大范围的太赫兹波调谐输出。结果为小型化光学太赫兹源的实验与理论研究提供了参考。

石墨烯光栅太赫兹透射特性的研究

建立了石墨烯光栅模型,基于快速收敛傅里叶模型方法计算了太赫兹频段的石墨烯光栅透射率,讨论了费米能级、光栅周期、光栅占空比和弛豫时间对透射率的影响。研究结果表明,在正入射条件下,透射率随频率的增大先减小后增加,且费米能级、占空比和弛豫时间越高,透射率的最小值越小。在入射光频率为2 THz的条件下,透射率随入射角的增大先增加后减小,且透射率在入射角约为60°时取得最大值。以上研究为石墨烯光栅的理论研究及其实际应用提供了有力指导。

共振声子太赫兹量子级联激光器研究(英文)

本文综述了共振声子太赫兹(THz)量子级联激光器(QCL)载流子输运及其光电特性的研究结果。我们采用Monte Carlo方法模拟了不同有源区结构的共振声子THz QCL,如四阱有源区和三阱有源区结构等,优化了THz QCL的器件参数。计算表明,器件的增益依赖于注入势垒的宽度、掺杂浓度和声子抽运能级间隔等参数。单阱注入的THz QCL可以获得低的激射频率,而三阱有源区结构的THz QCL具有更高的工作温度。我们数值模拟了这两种器件结构在不同寄生电压下的电子输运、增益以及温度特性等。同时,我们实验测量了THz QCL的发射谱偏压和温度效应,计算结果与实验相吻合。研究结果表明,随着偏压增加发射谱出现了明显的频率蓝移,多模激射仅出现在大电流注入情形。与偏压的密切依赖关系不同,激射频率对温度的变化并不敏感。