2020年年底，全球首颗6G试验卫星“星时代-12/天雁05”成功升空，这也是中国首个搭载太赫兹载荷的通信卫星。
此外，在中国工程院发布《全球工程前沿2020》报告中，太赫兹核心器件及超高速无线应用被列为信息与电子领域的全球工程科技大势和世界工程前沿。
本文围绕太赫兹领域的“卡脖子技术”和重要工程应用，对2020年太赫兹科学与技术关键热点，包括6G通信、太赫兹医疗、太赫兹军事应用等进行了概述，并展望了其未来发展。
自20世纪80年代以来，伴随半导体与光电子技术的不断发展，太赫兹科学与技术的研究条件逐渐从实验室走向工业应用。
太赫兹波指的是0.1~10 THz的电磁辐射，介于微波毫米波与光学红外线之间，处于低频电子学与高频光子学的过渡阶段。
太赫兹频谱位置
相比于微波和红外光波，太赫兹波具有非电离、宽带、对非极性材料吸收小等特点，在通信、医疗、军事等领域被认为具有巨大的应用潜力。
太赫兹辐射源
高功率、高效率的太赫兹辐射源是研究人员需要克服的首要难题。
Chirag等在超导体薄膜中观察到单脉冲激发的太赫兹二次谐波（T-SHG），被认为是一个能够产生太赫兹辐射的全新量子现象。
在太赫兹真空电子学辐射源方面，张杰等研究了相对论强激光与薄膜靶相互作用产生太赫兹辐射的新机制，并与卢瑟福实验室合作，实现了峰值功率1太瓦以上的太赫兹波，该太赫兹辐射源同时还具有可调谐性。
相对论强激光与薄膜靶相互作用产生太赫兹辐射机制
太赫兹量子级联激光器（QCL）被认为巧妙结合了电子学和光子学产生电磁辐射方法，是有效实现固态太赫兹辐射源的手段。
Khalatpour等开发了最高温度250 K、工作频率约为4 THz的便携式太赫兹量子级联激光器，克服了太赫兹量子级联激光器对制冷装置的依赖，推进了室温太赫兹量子级联器的实用化。
MIT研制的室温便携式太赫兹量子级联激光器
在太赫兹电子器件的研发方面，Matioli等开发出一种基于纳米级等离子体（nanoplasma）的新型片上全电子设备，大幅提高了开关速度及输出功率。
纳米等离子体开关
太赫兹探测器
在太赫兹探测器的研究方面，研究人员致力于实现高灵敏度、超紧凑、宽频带探测的太赫兹探测器。
Yannick等提出了一种光纤耦合的紧凑型等离子体超宽带太赫兹探测器，单位长度的转换效率比传统块状非线性晶体高出1000-10000倍。
超宽带太赫兹探测器太赫兹时域电光采样
在针对不同极化太赫兹波的探测方面，Peng等研制出一种三维交叉纳米线网络的半导体探测器，可测量太赫兹波的全部极化信息，突破了之前太赫兹探测器仅探测一个电磁波极化分量的问题。
三维交叉纳米线太赫兹探测器设计流程
量子传感是根据量子力学原理，利用量子效应设计的测量装置，具有高精度和小体积的特点。
Kutas等将量子传感技术应用于太赫兹探测器，为量子传感太赫兹探测器的进一步应用做出了贡献。
太赫兹6G通信
太赫兹通信有望支持更高的用户密度、更少的延迟、更好的频谱利用率，是未来6G通信的主要手段。
Harter等将光通信中的Kramers-Kronig方案应用到太赫兹频率的高速无线通信中，指出广义Kramers-Kronig方案有望成为未来高容量太赫兹通信的主要选择。
用于太赫兹通信的Kramers-Kronig方案整体设备及实验装置
实现高速高效的片上通信是未来6G无线通信、太赫兹集成电路以及芯片间通信互联的基础，当前问题在于标准芯片和封装内部各芯片间的无线链路传输具有很大衰减。
异构计算机体系的片上通信及无线传输过程
Ranjan等研发了一款基于光子拓扑绝缘体的超高速太赫兹无线芯片，比特误差率低于1000亿分之一。
以拓扑设备支撑的太赫兹通信极大地促进芯片内与芯片间通信，在未来可以支持基于超高速通信的先进技术包括自动驾驶、精密制造和全息通信等。
未压缩4K高清视频传输实验测试及样本放大细节展示
针对太赫兹通信中链路发现问题，Ghasempou等将漏波天线与宽带接收机配合使用，提出一种用于单发链路发现的方法，能够满足未来6G的低延迟要求兼容并在定向网络中实现实时客户端跟踪。
智能反射面（IRS）可以辅助通信，扩大太赫兹通信覆盖范围，从而克服太赫兹信号穿透能力较弱以及路径损耗的问题。除外，IRS也可用于安全传输。
随着对IRS性能及应用的不断优化和创新，新一代太赫兹通信系统将为未来的6G通信场景铺平道路。
红外辅助保密毫米波/太赫兹系统模型
机器学习可以帮助解决存在的管理挑战，提供更高、更智能的网络应用监控和管理水平，提高运行效率。
当前该技术已广泛应用于解决超大规模的MIMO系统中频谱效率及功率分配问题，相信在未来可进一步实现太赫兹通信系统智能化。
太赫兹超材料
超材料对周围环境的介电性质敏感以及生物安全 性使其在生物传感中有着极大的发展潜力。
聂天晓团队通过集成非对称双分裂环谐振腔超材料和铁磁异质结自旋电子太赫兹发射器，首次实现了单片太赫兹发射生物传感器（TEB）。
不同浓度下TEB显微图像和相对应太赫兹透射频谱
基于超材料的太赫兹电磁干扰屏蔽（EMIS）材料，可以克服自然界中缺少能够有效屏蔽太赫兹波辐射的天然材料的问题。
涂良成研究团队设计并验证了一种基于石墨烯-垂直排列碳纳米管杂化物的柔性超宽带太赫兹吸波器，对于高达601°的大范围入射角表现出良好的吸收性能并且可以在不同的弯曲状态下正常工作。
柔性超宽带太赫兹波吸收器结构及制造工艺
宋争勇等提出了一种基于二氧化钒-石墨烯混合结构的双可调谐吸波器。随着材料和结构的不断创新，宽带可调谐太赫兹吸波器大规模应用指日可待。
双可调谐吸波器结构
太赫兹医疗与农业
近年来，太赫兹科学与技术在医学研究中发挥积极作用，为众多应用场景提供新型医疗手段。
Roman等在0.2-1 THz频率范围内获得了不同程度胃癌粘膜的折射率和吸收系数，证明了癌症组织具有比正常组织更高的光学特性。
正常胃组织与局部癌症组织
陕西省超快光电技术与太赫兹科学重点实验室的研究人员使用基于波前倾斜技术的太赫兹单次测量系统实现了皮秒时间范围内活体HeLa细胞太赫兹脉冲时域波形的瞬态检测。
基于倾斜波前的THz瞬态测量系统
与人工智能算法相结合的检测方案因其高效准确的优势成为辅助医疗研究的热点话题。
如中国科学院深圳先进技术研究院提出并验证了一种基于小波熵特征提取和机器学习分类器的乳腺浸润性导管癌太赫兹脉冲信号自动识别策略。
乳腺组织样本在太赫兹时域信号自动识别策略流程
农业及食用产品和人类的生产生活密切相关，直接关系到人们的健康与社会发展。
如北京市农林科学院利用太赫兹时域光谱技术对大豆的叶片含水量（LWC）进行检测，基于该样本结果建立了高精度LWC预测数学模型。
LWC检测过程及模型预测结果
太赫兹光谱成像系统与人工智能算法的结合，可作为病理检测的辅助手段，亦可作为农产品质检、分类的实用工具。
当前研究成果和进展为未来太赫兹设备在医疗和农业领域的普及使用提供了可靠的理论与试验基础。
太赫兹成像
太赫兹成像技术具有强大的灵活性和高分辨率特点，在无损检测、安检等方面具有极高应用价值。
单像素相机因其低成本以及卓越的耐用性，已经成为多像素相机的替代品。工作原理为人们运用时变的空间掩模对光束进行编码，并通过单像素检测器记录来自物体的透射或反射，将空间模式和探测器的读数结合，以重建物体的图像。
Stantchev等使用单像素光纤耦合光电导太赫兹检测器，完成了实时显示的太赫兹视频的采集大大优于先前成果。
利用单像素太赫兹相机进行实时视频采集
朱礼国等开发了一种超衍射分辨的太赫兹显微仪（GHOSTEAM），能够以微米量级分辨率来重建物体图像。
GHOSTEAM太赫兹显微仪
太赫兹安检仪拥有较高的安全性和高质量图像分辨率，目前面临的主要问题是成像速度低，尚无法满足大客流量的应用场景。
多输入多输出合成孔径雷达MIMO-SAR技术既可以保证分辨率同时又降低阵元数量，在安检方面有着重要的应用价值。
MIMO-SAR三维太赫兹成像
针对远程安检应用中高效、安全和快速成像的迫切需求，Gombo等开发了一种新型太赫兹安全扫描仪。
距离为3 m的反射模式下扫描仪操作示意
在未来，具有视频速度成像的远场太赫兹安检仪的研发及商用是研究人员需要克服的挑战。
太赫兹军事应用
太赫兹科学与技术在军事领域展现出巨大的应用潜力，包括机载情报监视侦察（ISR）系统、空间态势感知、导弹防御以及空中监视雷达系统等。
太赫兹成像用于目标探测及安全监测
太赫兹雷达的信息承载能力强，检测精度和角度分辨率高，在战场侦察、目标识别和跟踪方面具有很大的优势。
利用太赫兹雷达可以实现全天候探测隐身飞机，其体积小、重量轻、机动性高等优点又非常适合短距离火控系统。
太赫兹载荷将改变情报侦测方式，可以探测到各个国家地下结构或用掩体掩盖的武器系统，提高发现并打击关键军事目标的能力。
可以想象在未来，无人机自动识别在集装箱里装有毒品的海上船只，太赫兹雷达可以探测到“隐身”飞机，战场上大数据实时更新并迅速传输到嵌入人工智能节点的服务器中，为军事指挥官提供作战图景及建议。
结论
展望未来，太赫兹通信必将成为6G通信的研究热点；太赫兹成像为医疗、农业、无损检测、安检等提供更加快捷高效的解决方案；太赫兹态势感知与识别已成为各国军备竞赛中争取制高点的“卡脖子”技术；通过与人工智能大数据相融合，太赫兹科学与技术的应用范围也会越来越深入和广泛。
原标题：《2020年太赫兹科学与技术热点回眸》
本文作者：司黎明，徐浩阳，董琳，吕昕作者简介：司黎明，北京理工大学信息与电子学院、毫米波与太赫兹技术北京市重点实验室，副院长、副教授、博士生导师，研究方向为电磁场与微波技术。
论文全文发表于《科技导报》2021年第1期
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