太赫兹技术空间应用研究探讨

林栩凌 阮宁娟 周 峰

（北京空间机电研究所，北京 100076）

1 引言

太赫兹辐射（太赫兹波，T射线）通常是指频率介于300GHz～10THz（1THz=1012Hz）、波长在33～1 000μm之间的电磁辐射，从频率上看，该波段位于毫米波和红外辐射之间。太赫兹的命名来源于它的振荡频率在1012Hz左右。在电子学领域里，这一频段的电磁波又被称为亚毫米波。在光谱学领域，它也被称为远红外。在20世纪80年代中期以前，由于缺乏有效的产生方法和检测手段，科学家对于该波段的电磁辐射性质了解非常有限。近年来由于自由电子激光器和超快技术的发展，为太赫兹脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源和探测手段，使太赫兹科学技术有了飞速的发展[1-3]。

由于太赫兹波具有穿透性、安全性、宽带性、瞬态性、相干性等特点，并且许多小分子的转动跃迁和大分子的集体振动跃迁都会在这个波段范围产生明显的特征吸收峰，所以近年来太赫兹波在成像、安检、生物分子检测、化学过程研究等领域的应用引起了人们极大的兴趣。然而，真正促进太赫兹技术蓬勃发展的需求动力是人们渴望通过新的电磁波观察和探索宇宙和地球。宇宙中太赫兹波段的信息资源占据了总信息量的一半以上，因此可以利用太赫兹对行星和小星体（小行星、卫星和彗星）进行观测，了解它们大气动力学以及它们的大气成分，进而能够推测太阳系、银河系或其它星体的形成原因和演化过程。另外，太赫兹也是探测月球和火星上是否存在水的有力工具之一。此外，高层大气中也有很强的天然太赫兹源，如羟基、氯化氢和水，根据从高层大气中所得到的太赫兹信息可以了解支配臭氧循环、全球变暖的化学过程，进而为全球变暖提供有价值的信息。

本文在分析太赫兹波特性的基础上，介绍了国内外太赫兹技术空间应用的发展历史，并对我国太赫兹空间技术发展趋势作出了展望。

2 太赫兹空间技术国际研究发展概述

太赫兹之所以引起人们浓厚的研究兴趣，并不仅仅因为它具有瞬态性、相干性等特性，更重要的是它与微波及红外遥感相比具有许多优势：1）与微波相似，太赫兹同样具有能穿透云层等特点，但是太赫兹波的频率更高，因此在作为通信载体时，单位时间内可以承载更多的信息，在中短距离高容量无限通信中很有潜力；由于太赫兹波的波长更短，它的发射方向性要好于微波；在成像应用中，它较之微波的短波长使其具有更高的空间分辨率，或者在保持同等空间分辨率时具有更长的景深；再者，由于波长较微波短，所以探测器件的尺寸和质量要远小于微波器件，适合于卫星和空间站搭载。2）与红外光对比，太赫兹散射小，透过性强，能够穿透风尘、沙暴和烟云，可实现全天候工作；此外由于太赫兹光子的能量很小，因此相对于红外光，它的安全性较好。

目前，国际上有130多个研究组从事有关太赫兹科学技术的研究工作。太赫兹技术在空间研究领域的应用主要围绕几个大的空间和天文研究计划课题进行，例如平流层红外天文观察项目SOFIA（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy）、亚毫米级波长上的射电望远镜项目ALMA（Atacama Large Millimeter Array）、“赫歇尔”太空望远镜项目（Herschel）等。

2.1 美国的研究进展

1983 年，由NASA发射的IRAS红外天文卫星获得了许多有关宇宙的重要信息，并确认许多星系中50%以上的发光度和98%以上的光子处于远红外和太赫兹波段[4]。20世纪90年代后，由于太赫兹波外差探测方式的发展，使得高分辨率、高灵敏度太赫兹测量成为可能。最著名的是1991年NASA发射的大气上层观测卫星UARS，UARS上搭载了微波临边探测器（MLS），探测器3个辐射计的观察波段中心频率分别为63GHz、183GHz和205GHz，探测器用外差高分辨率太赫兹谱线测量方式，第一次测量了同温层中的臭氧、水分等分子含量随大气压力变化的轮廓。图1是1991年11月4日～5日，UARS卫星上搭载MLS测量得到的同温层中的臭氧、水分子含量随大气压力变化图。

图1 MLS测量的同温层中臭氧、水分子含量随大气压力变化Fig.1 MLS maps of stratospheric water vapor and ozone

1998年美国发射的太赫兹波人造天文卫星（Submillimeter Wave Astronomy Satellite，SWAS）携带了冷却到170K的肖特基混频外差接收系统。这是NASA研究恒星结构及星际化学物质的小型卫星，主要用途是寻找宇宙星云间的氧、水、碳及一氧化碳分子。

美国另一个十分重要的太赫兹探测卫星是由NASA在2004年7月15日发射升空的“气味”（AURA）卫星。AURA卫星是对地观测系统 （EOS）中最重要的组成部分，它携带了更为先进的外差式太赫兹探测器MLS，探测器上5个辐射计的观察波段中心频率分别为118GHz、119GHz、240GHz、640GHz和2.5THz。中间三个频率的测量使用常温的耿式振荡器作为本振源，由肖特基二极管进行差频转换。而作为标志性的首次THz频率探测（2.5THz通道）使用了远红外激光作为本地振荡源。远红外激光器为CO2激光器抽运的甲醇蒸汽气体激光器，由Coherent公司生产，激光输出频率为2 522GHz，功率20mW。AURA上搭载的MLS与UARS 上搭载的 MLS 相比，可以测量更多的大气成分（如：OH，HO2，O3，HCl，CIO，HOCl，BrO，HNO3，N2O，CO，HCN，CH3CN，SO2等）及云中的含汽量、大气温度以及高层大气中的污染物质。这一THz波段的探测器极大增进了对臭氧层、大气组分和气候变化关系的理解[5]。表1列出了AURA卫星上MLS各个辐射计频率及其探测的种类。

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2.2 欧洲的研究进展

2001 年，欧洲的瑞典、法国、芬兰等国联合发射了Odin太赫兹波段卫星，用于天文及高层大气研究[6]。大气观察高度范围为15～120km，Odin卫星携带了4个亚毫米波段的辐射计，每个辐射计的观察频率范围以及探测的物质种类如表2所示，

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2004 年，ESA发射了罗塞塔（Rosetta）人造飞行器，工作频率为188GHz和560GHz，该飞行器将于2014年夏天飞行到彗星Churyumov Gerasimenko上，探测彗尾和彗核中存在的一氧化碳、氨、甲醇等物质的含量[7]。

由欧洲合作研制的气球运载大气监测仪TELIS在2007年进行了测试飞行。TELIS搭载了高灵敏度的低温（4K）超导外差式探测器，系统包括一个500GHz接收器，一个500～650GHz接收器以及一个1.8THz接收器，可以探测的物质包括 O3，ClO，BrO，N2O，HCl，HNO3，CH3Cl，HOCl以及 OH 与 H2O。

2009华5 月14 日，ESA的“赫歇尔”（Herschel）太空望远镜在法属圭亚那的欧洲空间局太空中心被“阿丽亚娜5”型火箭送入太空。这是第一个工作在红外及亚毫米波波段的冷宇宙天文卫星，也是迄今为止口径最大的红外太空望远镜，它工作在55～672μm（0.45～5.5THz）的从远红外到亚毫米的光谱范围中。它全长9m，直径4.5m，质量达3.3t，主镜口径3.5m。Herschel主要探测仪器包括PACS和SPIRE两个红外波段的辐射热计及HIFI太赫兹外差接收装置。HIFI为高分辨外差分光计，结合使用SIS探测器（bands5；480GHz～1.25THz）与热电子辐射热计（Hot Electron Bolometer，HEB）（bands6～7；1.4～1.9THz和 2.4～2.7THz）进行混频。 Herschel将有望揭开早期宇宙的真面目，其考察目标包括：研究早期宇宙中星系的形成和演化；考察恒星是如何形成和演化的，以及它们与星际介质的相互联系；探测银河系的化学成分，行星、彗星及卫星的表面和大气的分子化学；考察宇宙的分子化学。

2.3 亚洲的研究进展

2005年1 月8 日，日本宣布10年科技战略规划，把太赫兹研究项目列为十大国家支柱技术战略目标的首位。日本的东京大学、京都大学、大阪大学、东北大学、福田大学以及SLLSC、NTT等公司也都大力开展了太赫兹的研究与开发工作。

2009年9 月11 日，日本为国际空间站日本舱研制的亚毫米临边探测器JEM/SMILES发射升空。JEM/SMILES使用了最新研发的液氦冷却SIS（Superconductor Insulator Superconductor）探测器，JEM/SMILES将对地球大气成分如 O3，H35Cl，H37Cl，ClO，BrO，HOCl，HO2，HNO3，CH3CN 及 O3同位素进行观测。 JEM/SMILES 是第一个利用超导外差探测器进行地球观测的太赫兹计划，与美国及欧洲之前发射的Aura MLS以及Odin相比，JEM/SMILES具有更高的探测灵敏度[8]。表3具体列出了JEM/SMILES不同高度测量的不同种类的物质。

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2.4 国际合作项目研究进展

由欧美等国联合研制的单孔远红外太赫兹太空望远镜（SAFIR）计划用于太空观察，研究宇宙中银河系、行星等最初的演变。SAFIR预计于2015～2020年发射，观察波长范围从40μm～1mm，采用低温工作的SIS或HEB探测器进行混频完成外差式接收，并使用THz激光作为本机振荡器。SAFIR的探测精度已经接近远红外、亚毫米波段辐射的极限，具有极高的探测灵敏度。

美国NASA和德国航空航天中心 （DLR）的合作项目SOFIA（Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy），SOFIA的主要设备是一个工作在红外和太赫兹波段的望远镜。因具备高分辨率，SOFIA可以测量小行星数据，拍摄行星大气结构，并可以像前任柯伊伯机载天文台那样，通过掩星研究类木行星环系。SOFIA还可以单独观测某颗原恒星，帮助人们了解其组成、结构、质量和周边环境等特性，进一步了解恒星演化的图景。此外，星际介质的辐射集中在中远红外和亚毫米波段，SOFIA的工作波段可满足研究星际介质连续谱辐射和谱线的要求。SOFIA于2009年12月进行了首次试飞行，并在2010年进行了一系列的优化飞行试验。

2003年11 月6 日，来自北美、欧洲和智利的一些科学家和社会名流启动了世界上最大的、最灵敏的操作在亚毫米级波长上的射电望远镜项目ALMA（Atacama Large Millimeter Array）。ALMA大型毫米级射电天文望远镜组将成为世界上首屈一指的天文观测仪器。它由64个高精度天线组成，这些天线分布于智利安第斯山脉的查南托高原。查南托高原位于智利的阿塔卡玛沙漠的圣佩德罗地区，该地区海拔在5 000m以上。ALMA的主要功能是以高清晰度和超高空间分辨率对宇宙的神秘莫测的冷区域进行观测和成像，它能够提供 HST望远镜 （Hubble Space Telescope）、VLT望远镜 （Very Large Telescope）、JWST望远镜 （James Webb Space Telescope）及SKA（Square Kilometer Array）所不能具备的天体物理前沿研究手段。

2.5 我国太赫兹技术空间应用进展

国内政府机构和各科研院校对太赫兹科学技术给予了高度关注。特别是2005年以太赫兹科学技术为主题的第270次香山科学会议的召开，极大推动了我国太赫兹科学技术的研究。国家科技部、国家自然科学基金委员会等对太赫兹研究也给予了一定的支持，有关太赫兹研究已列入国家973计划、国家863计划，这为今后我国THz研究打下了坚实的基础。此外，针对国际上的研究瓶颈问题，我国在太赫兹源、探测、成像应用以及传输等领域的理论和实验研究上已逐步形成自己的研究特色，并取得了一些重要成果。

自1996年起，中科院上海微系统与信息技术研究所和上海交通大学在国内较早地开展了太赫兹物理与器件方面的研究工作。在国际上率先成功发展了太赫兹辐照下的半导体输运平衡方程，深人细致地研究了太赫兹辐射与半导体微结构的相互作用规律，对THz-QCL的基本科学问题也进行了深入细致的研究，并与加拿大科学家合作研制了THz-QCL原型器件。

天津大学在基于超晶格材料光学拉曼散射、参量振荡、差频等二阶、三阶非线性效应产生太赫兹辐射研究上取得阶段性成果，实现了1.5～2.7THz可调谐相干太赫兹源，同时还在超晶格材料非共线、差频侧面输出理论方面进行了研究，为提高差频效率奠定了基础。

中科院西安光学精密机械研究所也开展了基于光学技术的大功率太赫兹源研究，主要包括：研制了集成太赫兹发射器和可饱和布拉格反射器（SBR）的腔内型THz-IR双色辐射源；利用光参量差频技术产生大功率的太赫兹辐射，以及基于全光纤激光器的太赫兹产生技术；开展了光激半导体量子结构中的太赫兹动力学过程研究。

中科院物理所于20世纪90年代初期就建立了国内第一台时域光谱测量系统。近年来，在超强太赫兹脉冲的产生、太赫兹脉冲的传播和太赫兹波在瞬态光谱分析中的应用等方面，开展了卓有成效的研究工作。

中科院紫金山天文台和南京大学是我国开展超导探测技术研究的两个主要单位。中科院紫金山天文台是我国开展毫米波、亚毫米波天文学研究的主要单位之一，目前负责运行我国唯一的毫米波望远镜（青海，13.7m）和亚毫米波望远镜（Portable Submillimeter Telescope，POST）；研制的ALMA第八波段超导SIS混频器性能达到国际领先水平，第十波段的工作也于2005年底取得实破进展，并在国内首先开展了超导HEB热电子混频研究工作，在国际上率先实现了4K闭环制冷方式的超导HEB热电子混频研究，在1THz频段内的研究水平与国际上其它研究小组取得的结果相当。

基于自由电子激光（FEL）的太赫兹源研究工作己在中科院上海应用物理所、中国工程物理研究院和电子科技大学进行，并取得一定的成果。

中国空间技术研究院在“十一五”开展了国防重点项目“空间太赫兹应用技术”等课题研究，由于起点要求高，目前与国外差距不是很大。此外作为空间系统总体单位，中国空间技术研究院与高等院校紧密结合，开展核心技术攻关，有望通过卫星搭载在太赫兹空间遥感技术方面作出成绩。

3 太赫兹技术空间应用展望

国际上太赫兹技术在空间领域的应用研究主要围绕几个大的空间和天文研究计划课题进行，例如AURA、SOFIA、ALMA、Herschel、TELIS、SMILES等，归根结底都是围绕着太赫兹的产生和探测来进行的。为此我国在开展太赫兹空间技术研究时需要着重考虑以下几个方面：

（1）太赫兹理论研究

太赫兹的理论研究还比较薄弱，在研究太赫兹技术空间应用的同时，需要对其理论机制做更深的了解，目前，人们尚未能从理论方面对其进行严格的推导或计算，还需对其进行解释和研究。

（2）太赫兹波源研究

开展适用于空间技术的太赫兹源研究。太赫兹波的产生和检测是太赫兹科学技术研究中的重点和难点。缺少高功率、低造价和便携式的室温太赫兹光源是限制太赫兹成像以及太赫兹雷达等高新技术发展的最主要因素，同时也是限制太赫兹技术在空间中应用的关键因素之一。

（3）太赫兹波探测

开展高灵敏度超导探测器技术研究。目前，我国在太赫兹波段的探测器研究才刚刚起步，与欧美等国的差距很大，高灵敏度太赫兹探测器的研制对于开展太赫兹空间技术研究尤为重要。

（4）数据处理与图像识别技术

开展宽带高分辨率数字信号处理技术研究。现有的太赫兹系统设备的信息处理过程很复杂，目前太赫兹波图像分析的关键在于提高分析速度、改善太赫兹波系统的性能和可用性。为了提高观测速度，要求处理带宽尽量大，同时处理算法分辨率尽量高。此外，如果研究的目标尺寸太大，对成像造成困难，同时目标表面漫散射，使得目标结构变得更为复杂，因此需要通过建模及计算完成图像的识别。

此外，考虑到目前国内外太赫兹技术的发展水平和太赫兹波段的特性，在航天遥感领域的应用应该主要在被动式探测方面对空间天体进行探测；考虑到地球大气对太赫兹波段的吸收，以探测大气环境为主；在通讯应用方面，可以考虑隐蔽通讯的可能。

4 结束语

由于太赫兹处于电磁波谱的特殊位置，使其具有极其重要的学术价值，并已在一些重要的研究领域显示出其独特优越性，太赫兹科学技术已成为科学研究的热门课题之一。本文介绍了太赫兹技术空间应用的国内外研究发展状况，并结合我国实际情况提出了我国发展太赫兹空间技术需要着重解决的几个问题。

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