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太赫兹（Terahertz，THz）波是对一个特定波段的电磁波的统称，通常是指振荡频率在0.1~10THz的电磁波 [1] ，其在电磁波谱中的位置如图1.1所示。1THz等于10 12 Hz，对应波长为300μm，光子能量为4.14meV，特征温度为48K。自然界中存在大量的THz辐射，我们生活中许多物体的热辐射都在THz波段。尽管如此，由于该波段处在微波波段和红外波段交汇处，传统的电子学和光子学技术无论是从理论机制还是从器件制备工艺上均很难直接地应用到THz波段，这导致了“THz空隙”的存在。近年来，随着THz高效辐射源和高灵敏度探测器的发展成熟，THz波独特的电磁性质和广泛的应用前景逐渐被人们发现，围绕THz波的研究与应用形成了新的前沿研究领域，即THz科学与技术。THz技术由于在安检领域应用中的显著优势而受到了各国政府的广泛关注。美国将THz技术列入“改变未来世界的十大技术”，日本将THz技术列为“国家支柱技术十大重点战略目标”之首 [2] 。2005年，我国政府召开“香山科学会议”，通过专家研讨制定了我国THz技术的发展规划。总之，THz科学与技术既是重要的基础科学问题，又是新一代信息产业和国防安全的重大需求，对提高国家科技创新能力、促进社会发展和国家安全具有重要的战略意义。
图 1.1 THz波在电磁波谱中的位置
THz波的性质是由其在电磁波谱中的位置决定的，其特殊的位置赋予了THz波独特的性质和广阔的应用前景。下面将分别介绍THz波的几个重要特性。
（1）THz波段包含了丰富的光谱信息
许多大分子的振动和转动能级、超导体的能隙、半导体在磁场中的朗道能级都处在这一波段，因此THz波可作为有效的探针，提供关于物质的理化性质、光谱特性、分子动力学过程等重要信息，同时又能对物质进行特征识别和传感检测，在材料科学和生物医学研究领域获得了广泛的应用。
（2）THz波对多数介电材料和非极性物质具有非常好的穿透性
通常，电磁波入射时与物质的相互作用主要由物质界面的反射、物质的吸收和微小结构散射三部分组成。物质界面处电磁波的反射率主要由折射率决定，一般而言，折射率越大，反射率越高，这可以由菲涅尔反射公式推得。物质的吸收是由物质的能级结构和电磁辐射的光子能量之间的关系决定的。THz波的光子能量低于大多数化学键的键能，因此其在多数介电材料中的吸收损耗非常小。物质对电磁波的散射使得电磁波在物质中的实际传播距离远大于其进入物质的深度，进而会引起极大的损耗。THz波的波长普遍在几百微米量级，远远大于PM 2.5 、PM 10 等常见空气污染物的尺寸，这使得THz波在大气中散射引起的损耗远小于可见光和红外线。总之，THz波对很多介电材料与非极性物质具有良好的穿透性，从而被广泛应用于对光波段不透明物体的透视成像。
（3）THz波具有非常低的光子能量
光子能量是由频率决定的，相比于X射线上千电子伏特的光子能量，THz波的光子能量非常低，只有几毫电子伏特。这一能量低于大多数化学键的键能，因此不会引起有害的生物、化学电离反应，这一特性在人体安检和生物样品无损检测方面尤其可贵。此外，由于水分子对THz波有非常强烈的吸收，THz波在高效地透过衣物之后，只能停留在人体皮肤表层，而无法穿透到人体内部，因此THz波可以作为人体安检的理想光源。
（4）THz波的带宽特性
与微波和无线电波相比，THz波的波长更短、频率更高、单位时间内承载的信息更多，而且信号发射的方向性更好，适用于短程无线宽带局域网通信和卫星间通信。
随着THz辐射源和检测技术的发展，THz波的特性逐渐被人们认识，从而使得THz技术在军事、通信、安检、医学、材料、天文等多个领域获得了广泛的应用，如图1.2所示。
图 1.2 THz技术的应用
（1）在雷达技术领域的应用
THz雷达具有频带宽、波长短、波束窄、体积小、功耗低和穿透性强等特点。相比于激光红外探测，利用其穿透性强的特点可以保证系统能够在硝烟弥漫的战场或沙尘环境中稳定工作。相比于微波波段的雷达，利用其波长短的特点可以有效减小系统的体积和质量，并提高分辨率。这些特点使得THz雷达在敌机预警、直升机避障、云探测、导弹导引等方面具有重要的应用。
（2）在通信领域的应用
目前，6GHz以下的传统通信频段已经很难得到较宽的连续频谱，这严重制约了通信产业的发展。相比之下，THz频段却仍有海量未充分利用的频谱资源。其波长更短，可以有效减小通信器件及系统的尺寸；其频率更高，可以满足未来超高速通信的需求，比如100Gbps甚至更高。
（3）在安检领域的应用
利用高穿透性、高安全性等优点，THz成像可以有效地对被测物体进行检测，这使其在国家安全、机场安检、大气遥感等方面得到了广泛的应用。此外，由于硝基及许多有机大分子的分子振动能级位于THz波段，使用THz技术可以有效地对爆炸物、毒品、汽油等危险品进行光谱和传感检测。
（4）在医学领域的应用
由于THz波对人体无害，其可以用于人体局部成像和疾病的医疗诊断，比如对癌变组织的成像及光谱检测。此外，许多生物大分子在THz波段都具有强烈的色散和吸收特性，因此THz波可以用于分子特性的检测和识别，比如测定DNA的形态、生物组织的特征和蛋白质复合物的成分等。
（5）在材料检测领域的应用
THz波的光子能量低，对穿透物不会造成损伤，并且可以穿过大多数介电物质。这一特点对于检测非导体材料中的缺陷或者特殊标记具有重要的意义，比如THz波可以用于检测油画、航天器绝热层和半导体器件的缺陷等，一般认为其是无损检测。此外，THz脉冲的典型脉宽在皮秒量级，因此可以得到高信噪比的THz时域光谱，易于实现对各种材料的光谱分析。
（6）在天文探测领域的应用
宇宙背景辐射在THz波段存在丰富的信息，THz波可以对宇宙中大量的物质进行探测，如气态碳、水、氧气、氮气、臭氧、一氧化碳等分子和OH - 、H 2 D + 等离子，而这些物质通过其他手段难以探测。此外，THz波广泛地存在于宇宙空间，可为天文学研究提供宇宙起源、星体形成、星系演化等方面的天文信息。
如上所述，THz技术在诸多领域展现出广泛的应用前景，要实现如此广泛的应用，即搭建多样化、实用性的THz应用系统，高性能的THz功能器件是必不可少的。THz功能器件以及用这些核心器件构建光谱、成像、通信等各种应用系统是目前热点的研究领域。这里我们将首先介绍THz辐射源和THz探测器，下一节将分类介绍其他功能器件。
（1）THz辐射源
自THz技术诞生伊始，研发成本低、功率高、室温下稳定的THz辐射源就一直是人们重点关注的焦点。广义上来讲，THz辐射的来源非常广泛，自然界中就存在大量的THz辐射源，人体也可以辐射出微弱的THz波。随着THz技术的发展，THz辐射源的研究也获得了巨大的进步，各种类型的辐射源如雨后春笋般出现。根据THz波产生的机理，THz辐射源可以分为基于光子学的THz辐射源、基于固态电子学的THz辐射源和基于真空电子学的THz辐射源等。根据所产生的THz辐射的脉宽，THz辐射源又可以分为宽带THz脉冲辐射源和窄带THz连续波源。这里按照后一种分类方法对THz辐射源进行简单的介绍。
宽带THz脉冲辐射源目前主要应用于THz光谱技术中，其带宽可以高达几十太赫兹。光电导天线是一种常见的宽带THz脉冲辐射源，通常由在半导体材料（如低温生长的半绝缘GaAs）中制备的两条间隙为几十微米到几百微米量级的金属电极构成。飞秒激光聚焦到金属电极中间的空隙上，激发的光生载流子在外电场的作用下向金属两极迁移，从而辐射出THz波。光电导天线可以产生较高能量的THz脉冲，因此近年来获得了广泛的研究和应用。光整流法是一种常见的产生宽带THz脉冲辐射的方法，通过两个光束或者一个高强度的单色光束在非线性晶体中传播时产生的差频或和频振荡来产生THz辐射。这种方法可以实现超宽带的THz脉冲辐射输出，但是输出能量相对较低。空气等离子体法是通过激光聚焦击穿空气生成空气等离子体，从而利用其非线性效应来产生THz辐射，这是目前THz辐射源理论研究的热点之一。半导体的表面电场效应和光致丹培效应也可以用于产生宽带THz脉冲辐射，其基本原理是利用半导体表面和内部的费米能级差引起光生载流子的瞬态迁移，从而产生THz辐射，但THz辐射强度比较低。
研制窄带THz连续波源的目标是产生连续性强、带宽窄、方向性好、强度高的THz波，从而满足THz成像、通信、雷达等领域的应用。以微波电子振荡器为基础，利用倍频技术来提高其工作频率，但其工作频率往往低于250GHz。真空电子学技术是目前实现高功率THz辐射源最有效的手段，输出功率可达千瓦量级，一般通过回旋管自由电子激光器来实现。其工作原理是将在磁场中运动的电子束的动能转换为光子能量，从而产生激光。这类辐射源的优点在于能量高、相干性好、可调谐范围大，缺点是功耗高、体积大、费用昂贵。相比之下，基于固态电子学的THz量子级联激光器的结构非常紧凑，已成为极具前景的小型化THz辐射源。其通过导带电子能级间跃迁和声子共振辅助隧穿实现粒子数反转，输出频谱覆盖1.7~5.3THz，功率可达100mW量级。目前，研究的重点是如何优化THz量子级联激光器的结构，进一步改善器件温度特性和光束质量以及提高输出功率等。此外，通过光泵极性分子形成转动能级的集居数反转、多光束泵浦非线性晶体实现差频放大等手段也能产生窄带THz连续波。
（2）THz探测器
类似于THz辐射源，THz探测也可分为对宽带THz脉冲的探测和对连续THz波的探测。对于宽带THz脉冲，一般通过THz时域光谱系统来进行探测。这种探测方法不仅可以获得THz脉冲的强度信息，还可以完整地记录其相位信息，且其信噪比高、易于实现，将在第3章对其进行重点介绍。
而对连续THz波的探测可以分为非相干探测和相干探测。非相干探测，即直接检测，是指利用检波器将检波信号直接转化为电流或电压信号，得到被测信号的幅度信息。一般而言，用于非相干探测的检波器大多是量热式的探测器，如半导体测辐射热计、半导体热电子测辐射热计、超导热电子测辐射热计、超导转变边缘传感器（Transition-Edge Sensor，TES）等。这类检波器可以探测各种光源发出的THz波，而且其光谱探测范围非常宽，可以涵盖整个THz波段。但是，由于相位信息缺失，这类探测方法容易受到外界环境的影响，而且无法获得超高的探测灵敏度。相比而言，TES的探测灵敏度较高，且已经制备成大规模的检波阵列，目前最大规模的TES检波阵列是安装在美国的JCMT望远镜上的SCUBA2探测器阵列，其探测灵敏度可以达到2×10 -21 W/Hz 1/2 。
相干探测通常采用类似于传统通信系统中的超外差结构实现频谱红移，即将THz信号变换到较低的微波-毫米波频段，再采用传统的方式提取信号的幅度和相位。由于采用了变频方式，相干探测系统较为复杂，需要混频器等关键元器件，同时对混频器及THz本振源提出了较高的要求，比如较高的输出功率和较低的噪声等。混频器的核心器件是混频管，在THz波段常用的有肖特基二极管、热电子测辐射热计式混频管、超导体-绝缘体-超导体混频管等。值得一提的是，由于可检测到相位信息，相干探测可以获得较高的空间分辨率，此外，还可进行信号放大，从而可获得较高的探测灵敏度。这类探测方法被广泛应用于各种需要高空间分辨率、高探测灵敏度的场景，比如深空探测等。南京大学和中国科学院紫金山天文台已具备了从薄膜制备到器件设计、加工和测试的一整套技术能力，在500GHz和800GHz频段已成功研制了超导混频器，并应用于射电天文探测 [3] 。