基于電子學的太赫茲輻射源

宮玉彬，周 慶，田瀚文，唐靖超，王凱程，張雅鑫，張 波，劉頔威

電子科技大學電子科學與工程學院，四川成都 610054

太赫茲波(terahertz wave，THz波)，指頻率從0.1～ 10.0 THz，即波長在0.03～3.00 mm的一種電磁波．太赫茲波頻段融合了微波毫米波和紅外光的特點，具有適中的波束寬度以及較大的系統(tǒng)帶寬．作為人類了解和開發(fā)最少的電磁波段，太赫茲波段被稱為“探索電磁波譜的最后一段空隙”[1]．近年來，國際上對于太赫茲的相關(guān)研究都給予高度重視．20世紀80年代，美國在發(fā)展空間通訊和雷達時，首選亞毫米波波段；2004年將太赫茲技術(shù)列為“改變未來世界的十大科學技術(shù)”之一；2007年將太赫茲列入電子戰(zhàn)的頻率范圍．近10年來，美國設(shè)立了一系列太赫茲技術(shù)研究計劃，如亞毫米波成像焦平面技術(shù)(sub-millimeter wave imaging focal-plane technology, SWIFT)計劃、太赫茲成像焦平面技術(shù)(terahertz imaging focal-plane-array technology, TIFT)計劃、高頻集成真空電子學(high frequency integrated vacuum electronics, HiFIVE)技術(shù)計劃[2]、太赫茲電子學(terahertz electronics, THzE)技術(shù)計劃、太赫茲量子點技術(shù)計劃及高幀頻成像雷達(video synthetic aperture radar, ViSAR)技術(shù)[2]等，其目的是為空間大容量數(shù)據(jù)傳遞、高分辨成像和生化探測提供新手段．歐盟第5到第7框架計劃中啟動了跨國協(xié)同的太赫茲技術(shù)研究計劃，包括WANTED(wireless area networking of THz emitters and detectors)計劃、THz-Bridge計劃及DOTFIVE計劃[3]．2005年日本將太赫茲技術(shù)列為未來10年科技戰(zhàn)略規(guī)劃十項重大關(guān)鍵科學技術(shù)之首．韓國于2009年設(shè)立為期10年的全國太赫茲技術(shù)發(fā)展計劃，由韓國國內(nèi)高校和知名企業(yè)組建了太赫茲系統(tǒng)全球前沿中心．

隨著太赫茲技術(shù)的迅猛發(fā)展，太赫茲在目標探測、成像、通信及雷達等領(lǐng)域得到重要應用．太赫茲的廣泛應用，推動了太赫茲輻射源的發(fā)展．目前，國際上正在開發(fā)的太赫茲輻射源主要包括：① 基于電子學的太赫茲輻射源；② 基于光學效應的太赫茲輻射源．其中，前者主要分為真空電子學和固態(tài)半導體電子學太赫茲輻射源兩種．基于真空電子學的太赫茲輻射源，主要包括新型慢波結(jié)構(gòu)的切倫科夫輻射器件、電子回旋諧振脈塞的回旋管、史密斯-帕塞爾效應的太赫茲輻射源，以及等離子體光子晶體的太赫茲輻射源等；基于固態(tài)半導體電子學的太赫茲輻射源，主要包括肖特基二極管固態(tài)倍頻源、三極管單片集成固態(tài)功率放大器、低噪聲放大器，以及共振隧穿二極管太赫茲振蕩源等．

本文著眼于近年來基于電子學的太赫茲輻射源的發(fā)展和應用，介紹新型慢波結(jié)構(gòu)切倫科夫輻射器件、電子回旋諧振脈塞回旋器件、史密斯-帕塞爾效應太赫茲輻射源、類等離子體光子晶體離子聚焦太赫茲輻射源，以及固體太赫茲倍頻源、固體太赫茲噪聲放大器、固體太赫茲功率放大器、固體太赫茲振蕩器等固態(tài)太赫茲輻射源．最后對太赫茲輻射源的應用進行前瞻和評述．

1 新型慢波結(jié)構(gòu)切倫科夫太赫茲輻射源

切倫科夫輻射器件主要包括行波管和返波管，慢波結(jié)構(gòu)是該類器件的核心．傳統(tǒng)的慢波結(jié)構(gòu)一般采用螺旋線和耦合腔慢波結(jié)構(gòu)，如圖1．

圖1 螺旋線慢波結(jié)構(gòu)和耦合腔慢波結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of the helix slow wave structure and coupled cavity slow wave structure

螺旋線慢波行波管在連續(xù)波狀態(tài)下，由于存在散熱問題，無法提供更高的輸出功率；在脈沖狀態(tài)下，因存在返波振蕩，也無法提供更高的輸出功率．耦合腔行波管是全金屬結(jié)構(gòu)，行波管的功率容量得以提高，但工作帶寬較窄．這兩種慢波結(jié)構(gòu)難以工作到太赫茲頻段， 目前工作頻率最高僅到W波段．為在提高工作頻率的基礎(chǔ)上，同時解決功率容量和帶寬的問題，一系列新型慢波結(jié)構(gòu)得以提出．

1.1 新型慢波結(jié)構(gòu)的理論與模擬仿真

1.1.1 曲折波導類慢波結(jié)構(gòu)及其變形

曲折波導類慢波結(jié)構(gòu)，作為一種全新的全金屬結(jié)構(gòu)，不僅具有大的功率容量，同時可以提供良好的寬帶性能，曲折波導的基礎(chǔ)模型如圖2．

圖2 曲折波導慢波結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The folded waveguide slow wave structure

基于曲折波導慢波結(jié)構(gòu)，衍生了一系列曲折波導慢波結(jié)構(gòu)的改進結(jié)構(gòu)，如圖3．圖中變量的定義見相關(guān)文獻，下同．圖3(a)為脊加載曲折波導慢波結(jié)構(gòu)[4]，曲折波導電子注通過加載金屬脊，縱向電場得以加強，注波互作用電子效率大幅提高；圖3(b)為曲折雙脊波導全金屬慢波結(jié)構(gòu)[5]，通過改變脊寬度，可以控制慢波結(jié)構(gòu)的色散特性，相比傳統(tǒng)曲折波導慢波結(jié)構(gòu)，曲折雙脊波導慢波結(jié)構(gòu)的帶寬可明顯展寬；圖3(c)為脊翼加載曲折波導慢波結(jié)構(gòu)[6]，通過脊翼加載，不僅可以展寬頻帶，同時又可通過增加耦合阻抗來增大輸出功率，但對加工方法又提出新挑戰(zhàn)．

圖3 幾種曲折波導類慢波結(jié)構(gòu)的改進結(jié)構(gòu)[4-6]Fig.3 The modified structure of folded waveguide slow wave structure[4-6]

在太赫茲頻段，電子科技大學理論研究了220 GHz脊翼加載曲折波導行波管的色散特性及注波互作用特性[6]．在220 GHz處達到的最大輸出功率為56 W，增益為37.5 dB，3 dB帶寬約為30 GHz．

1.1.2 交錯雙柵慢波結(jié)構(gòu)

在切倫科夫輻射器件中，另一種使用較多的新型慢波結(jié)構(gòu)為交錯雙柵慢波結(jié)構(gòu)，如圖4(a)．圖4(b)為交錯雙柵慢波結(jié)構(gòu)的顯微照片．交錯雙柵慢波結(jié)構(gòu)是一種全金屬結(jié)構(gòu)，其散熱性能好、功率容量大，適合帶狀電子注工作，能夠產(chǎn)生高功率且結(jié)構(gòu)簡單，相對容易加工，適于高頻率工作，因此受到廣泛研究關(guān)注．

圖4 交錯雙柵慢波結(jié)構(gòu)[7-8]Fig.4 The staggered double vane slow wave structure[7-8]

電子科技大學對基于柵類慢波結(jié)構(gòu)的行波管進行大量模擬研究．在G波段，開展220 GHz帶狀注交錯雙柵行波管的研究[9]，在工作電壓為25 kV、電流為0.08 A、輸入功率設(shè)置為50 mW時，輸出功率在214 GHz處達到最大值78.125 W，增益為31.29 dB，3 dB帶寬約為30 GHz．

在R波段，也開展340 GHz帶狀注交錯雙柵行波管的研究[10]．其中，輸入電壓為22.1 kV，電流為43 mA，輸入功率為10 mW，電流密度為200 A/cm2．輸出功率在330 GHz處達到最大值16.7 W，增益為32.2 dB．此外，850 GHz交錯雙柵行波管的研究中，在工作電壓為28.1 kV，工作電流為20 mA，輸入功率為2 mW情況下，其輸出功率在800 GHz處達到最大值100 mW，對應增益為17 dB[11]．

1.1.3 正弦波導慢波結(jié)構(gòu)

柵類慢波結(jié)構(gòu)雖然具有低歐姆損耗和天然帶狀電子注通道的優(yōu)勢，但由于在柵的膜片位置存在許多不連續(xù)性，因此存在較大反射．為減小反射，文獻[12]提出正弦波導慢波結(jié)構(gòu)，如圖5．

圖5 正弦波導慢波結(jié)構(gòu)模型圖[12]Fig.5 The sine waveguide slow wave structure[12]

2012年，電子科技大學報道了220 GHz正弦波導返波管和220 GHz正弦波導行波管的模擬結(jié)果[12-13]．220 GHz正弦波導返波管，在210～230 GHz內(nèi)，可輸出瓦量級的功率，此時可調(diào)電壓工作范圍為17～26 kV，電流為10 mA．對于220 GHz正弦波導行波管，從220～250 GHz帶寬范圍內(nèi)可輸出上百瓦的功率，同時頻帶內(nèi)最大增益可達37.7 dB，電子效率為9.6%．

基于正弦波導慢波結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)一些正弦波導慢波結(jié)構(gòu)的改進結(jié)構(gòu)．2016年，電子科技大學報道了基于正弦型脊波導的超寬帶太赫茲返波管[14]．模擬結(jié)果表明，該器件在0.617～ 0.990 THz具有超過0.625 W的輸出功率．脊加載正弦波導慢波結(jié)構(gòu)也是正弦波導慢波結(jié)構(gòu)的一種變形[15]，如圖6．脊加載正弦波導慢波結(jié)構(gòu)行波管在電壓20.9 kV和電流45 mA條件下，在220 GHz可得到52.1 W的輸出功率，對應電子效率為5.54%，3 dB帶寬可達25 GHz．

圖6 脊加載正弦波導慢波結(jié)構(gòu)[15] Fig.6 The ridge-loaded sine waveguide slow wave structure[15]

1.2 新型慢波結(jié)構(gòu)切倫科夫器件的實驗研究

基于新型慢波結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外學者不但進行了大量理論研究，在實驗方面也取得很大進展．

1.2.1 行波器件的實驗研究

1.2.1.1 曲折波導太赫茲行波管

對于太赫茲頻段的曲折波導行波管，電子科技大學報道了140 GHz曲折波導行波管的熱測結(jié)果[16]．測試結(jié)果顯示，D波段曲折波導行波管，在5 GHz帶寬范圍內(nèi)連續(xù)波增益超過20 dB，輸出功率可達2 W．中國工程物理研究院研制的D波段曲折波導行波管的連續(xù)波輸出功率在140.3 GHz處可得到7.3 W的輸出功率，增益達到25.3 dB．同時，3 dB帶寬為3 GHz[17]．

在G波段，中國電子科技集團公司第十二研究所研制一只220 GHz曲折波導行波管[18]，帶寬為10 GHz，連續(xù)波增益20 dB，輸出功率大于10 W．中國工程物理研究院報道兩只G波段的曲折波導行波管，其中一只220 GHz連續(xù)波曲折波導行波管的3 dB帶寬可達11 GHz，輸出功率超過200 mW[19]；另外一只220 GHz連續(xù)波曲折波導行波管的峰值功率為1.2 W，3 dB帶寬為3.5 GHz．

在R波段，中國工程物理研究院研制工作在320 GHz的曲折波導行波管[20]，如圖7．測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 電子束電壓的改變， 對小信號增益影響很大， 當電子束電壓為16.9 kV時，320 GHz曲折波導行波管可在318.24 GHz頻率下得到19.6 dB的增益．

圖7 折疊波導慢波結(jié)構(gòu)與0.32 THz折疊波導行波管[20]Fig.7 Folded waveguide slow wave structure and 0.32 THz folded waveguide traveling wave tube[20]

太赫茲波的產(chǎn)生較為困難，有時難以找到高頻率的太赫茲波源來推動行波管工作．為解決這一困難，一些基于高次諧波工作的諧波放大器得到廣泛研究．基于曲折波導慢波結(jié)構(gòu)，中國電子科技集團公司第十二研究所和電子科技大學分別研制出二次諧波行波管諧波放大器和三次諧波行波管諧波放大器[21-22]．如圖8所示，對于二次諧波行波管諧波放大器，輸入為W波段信號，輸出為G波段信號．三次諧波行波諧波放大器，輸入信號為Q波段，同樣得到G波段的輸出信號，其輸出功率如圖9．

圖8 高次諧波行波管[21]Fig.8 Prototype of the high-harmonic traveling wave tube[21]

圖9 二次諧波和三次諧波行波管諧波放大器[21-22]Fig.9 The second and third harmonic traveling wave tube amplifiers[21-22]

(a) 完整慢波結(jié)構(gòu)顯微照片；(b) 安置于電子注通道中的直徑為0.018 288 cm的套位針；(c) 完整的輸入波導示意圖； (d) 電子注通道入口示意圖；(e) 封裝到真空腔中的焊接后的電路； (f) 最終熱測時的整管圖10 220 GHz曲折波導真空電子放大器[23]Fig.10 220 GHz serpentine waveguide vacuum electron amplifier[23]

國外研究機構(gòu)基于曲折波導慢波結(jié)構(gòu)研制出一系列太赫茲輻射源．2013年，美國海軍實驗室研制出一只220 GHz曲折波導真空電子放大器，如圖10[23]．熱測結(jié)果顯示，器件的瞬時帶寬超過15 GHz，小信號增益超過14 dB，如圖11．2016年，諾斯羅普格魯曼公司報道了233 GHz曲折波導行波管的研究進展[24]．熱測結(jié)果表明，當電壓為20.95 kV、電流為113 mA時，在2.4 GHz的帶寬內(nèi)實現(xiàn)大于50 W的功率輸出．

圖11 220 GHz曲折波導真空電子放大器熱測結(jié)果[23]Fig.11 The test results of 220 GHz serpentine waveguide vacuum electron amplifier[23]

除此之外，諾斯羅普格魯曼公司就0.64、 0.67、0.85 THz和1.03 THz放大器進行研究，結(jié)果見表1[25]．

表1 諾斯羅普格魯曼公司600 GHz以上 曲折波導行波管的研究進展[25]

1.2.1.2 交錯雙柵慢波結(jié)構(gòu)太赫茲行波管

基于交錯雙柵慢波結(jié)構(gòu)，加州大學戴維斯分校研制了200 GHz帶狀注交錯柵行波管[26]，如圖12．采用擴展互作用振蕩器作為推動級對行波管進行飽和功率測試，在213.85 GHz測試得到110 W的最大飽和功率，測試結(jié)果如圖13．這是目前國際上報道的帶狀注行波管的最高頻率．

圖12 200 GHz帶狀注交錯柵行波管[26]Fig.12 200 GHz sheet beam staggered double vane traveling wave tube[26]

圖13 200 GHz帶狀注交錯雙柵行波管[26]Fig.13 The test results of 200 GHz staggered double van traveling wave tube with sheet electron beam in UC Davis[26]

1.2.2 返波器件的實驗研究

返波管是目前發(fā)展比較成熟的一種微波振蕩器件，可在不需要輸入信號的情況下產(chǎn)生電磁波振蕩，主要特點為小型化和價格低廉．早在20世紀80年代，俄羅斯已經(jīng)研制出太赫茲返波管．俄羅斯的ISTOK公司對太赫茲返波管進行了大量實驗研究[27]，如圖14．其主要參數(shù)見表2．

圖14 俄羅斯ISTOK太赫茲返波管[27]Fig.14 Parameters of backward wave oscillator by ISTOK (Russia)[27]

型 號頻率/GHz輸出功率/mWOB86118～17820OB66177～26310OB65258～37510OB67370～5355OB80530～7145OB81690～8505OB82790～9703OB83900～1 1003OB841 070～1 2002OB851 176～1 4002

中國科學院電子學研究所基于曲折波導慢波結(jié)構(gòu)研制一只工作在316 GHz的擴展互作用振蕩器，其測試結(jié)果如圖15[28]．可見，擴展互作用振蕩器工作在316 GHz，測得平均功率為4.17 mW, 脈沖功率大于4 W．

圖15 基于曲折波導的擴展互作用振蕩器測試圖[28]Fig.15 The test results of 316 GHz folded waveguide extended interaction oscillators[28]

2 電子回旋諧振脈塞太赫茲輻射源

為在太赫茲頻段獲得高輸出功率，越來越多的學者致力于基于電子回旋諧振脈塞的太赫茲輻射源研究．相比其他太赫茲輻射源，基于電子回旋諧振脈塞的真空電子器件具有高功率和高效率的特點．基于電子回旋諧振脈塞的太赫茲輻射器件，主要分為回旋振蕩管和回旋放大管．回旋振蕩管在輸出功率和效率方面有優(yōu)勢，但調(diào)諧困難；回旋速調(diào)管在增益和效率方面優(yōu)于回旋行波管，但回旋行波管具有顯著的帶寬優(yōu)勢．

圖16 140 GHz回旋振蕩管計算仿真結(jié)果Fig.16 The numerical simulation result of 140 GHz gyrotron oscillators

近年來，電子科技大學研制一系列太赫茲頻段的回旋振蕩管[29-33]．圖16為0.14 THz回旋振蕩管的計算仿真結(jié)果，該回旋振蕩管的工作模式為TE28, 8，電壓75 kV，電流45 A，采用單陽極電子槍，內(nèi)置準光模式變換器和單級降壓收集極，設(shè)計連續(xù)波和準光輸出功率為1.2 MW．

圖17為0.11 THz和0.22 THz雙頻回旋振蕩管[29-30]圖片．該回旋管的工作模式為TE02和TE04，工作磁場為4.1 T，工作電壓為40 kV, 工作電流為5 A，諧波次數(shù)為1st和2nd．在0.11 THz和0.22 THz，其輸出功率大于20 kW．

圖17 0.11 THz和0.22 THz雙頻回旋振蕩管[29-30]Fig.17 The photo of 0.11 and 0.22 THz dual frequency gyrotron oscillators[29-30]

在G波段，電子科技大學還研制一只工作在TE03模、輸出功率為11.5 kW的回旋管，以及一只工作在TE03模、輸出功率為500 mW的冷陰極回旋管[31-32]．對于更高的太赫茲頻段，電子科技大學研制兩只0.42 THz二次諧波回旋振蕩管[33]，其主要測試參數(shù)見表3．

表3 0.42 THz二次諧波回旋振蕩管[33]Table 3 The main parameters of 0.42 THz gyrotron oscillator[33]

自1964年前蘇聯(lián)第一只單腔回旋管問世，美國、法國及日本等國紛紛開展回旋管的相關(guān)研究．近年來，在受控熱核聚變的推動下，國內(nèi)外對兆瓦量級太赫茲回旋管的研究進展如表4[34]．

表4 兆瓦量級回旋管的研究進展[34]

對于更高頻率太赫茲回旋管的研究，主要集中在美國麻省理工學院、美國馬里蘭大學、俄羅斯應用物理研究院和日本福井大學等研究機構(gòu)，回旋管具體參數(shù)見表5[34]．

表5 更高頻率太赫茲回旋管的研究進展[34]

除回旋振蕩管外，何文龍等[35-36]研制一只基于螺旋波紋波導互作用結(jié)構(gòu)的75～110 GHz回旋行波放大器，其輸出功率可達3.4 kW，增益可達36～38 dB．

3 史密斯-帕塞爾效應太赫茲輻射源

1953年，史密斯和帕塞爾共同發(fā)現(xiàn)當電子掠過金屬光柵表面時，會激發(fā)出電磁輻射，該輻射被稱為史密斯-帕塞爾(Smith-Purcell，SP)輻射[37]．1966年，基于SP輻射，RUSIN和BOGOMOLOV[38]首次提出并開展奧羅管(Orotron)的研究．截止目前，奧羅管已被公認為是一種可以覆蓋從毫米波到亞毫米波的電磁輻射源．其結(jié)構(gòu)特點是擁有開放式諧振腔，可提高電子束寬度和工作電流大小，已成為一種有望產(chǎn)生THz輻射的真空電子器件．

華東光電技術(shù)研究所長期致力于奧羅管的研究，并在2018年研制出0.1 THz的奧羅管，如圖18(a).
圖18(b)為奧羅管的測試曲線．

圖18 0.1 THz奧羅管結(jié)構(gòu)圖和測試結(jié)果圖Fig.18 The photos of 0.1 THz Orotron and the test results

由于尺寸共渡效應，太赫茲波段的奧羅管結(jié)構(gòu)尺寸小、起振電流密度高，難以實現(xiàn)高頻率和高效率的太赫茲輻射．1998年，URATA等[39]發(fā)現(xiàn)SP超輻射并進行實驗驗證．他們將光柵結(jié)構(gòu)放置在掃描電子顯微鏡中，利用掃描電子顯微鏡中的電子束掠過光柵表面，致使電子束發(fā)生群聚，當群聚電子束諧波頻率與SP輻射某一角度頻率相同時，將激發(fā)出相干的SP輻射，稱為SP超輻射．SP超輻射可工作在高次諧波，大幅降低起振電流密度，因此該技術(shù)為太赫茲輻射源提供一種頻率可調(diào)、相干的連續(xù)波源．

2005年，美國麻省理工學院利用預調(diào)制的電子束團激勵，研究該情況下的超輻射現(xiàn)象特性，并在2006年實驗測定頻率鎖定的相干SP輻射的功率，相干SP輻射功率的頻譜分析如圖19[40]．該機制為超輻射THz源的研究開辟新方向．

圖19 相干SP輻射功率的頻譜分析[40]Fig.19 The spectral analysis of tested power based on coherent SP radiation[40]

2007年，韓國國立首爾大學利用反向雙電子束從陣列上下表面掠過，激發(fā)中空光柵結(jié)構(gòu)的表面波，實現(xiàn)太赫茲波段把SP輻射強度提高2個數(shù)量級(圖20)，并將該激勵方式和結(jié)構(gòu)用于相干太赫茲輻射源的研究中[41]．

圖20 SP輻射頻率和輻射強度的關(guān)系[41]Fig.20 The relation between SP radiation frequency and radiation intensity[41]

與此同時，一系列基于SP超輻射的研究廣泛開展．

3.1 電子束激發(fā)漸變的金屬光柵的SP超輻射

用電子束激發(fā)深度漸變的光柵結(jié)構(gòu)時，在光柵邊緣處可得含有多個尖峰的寬帶的定向THz輻射[42]，結(jié)果如圖21．其原理是在光柵上不同的位置，由于其深度的漸變，將存在不同的模態(tài)，即類表面等離子體波在不同位置的色散特性不同，這些模態(tài)最終都將在光柵的一個邊緣轉(zhuǎn)化為輻射場．

圖21 含有多個尖峰的輻射頻譜[42]Fig.21 The radiation frequency spectrum with multiple amplitude[42]

3.2 模式耦合SP超輻射

在光柵結(jié)構(gòu)中，若光柵槽比較窄和深，光柵槽中的諧振模式將可轉(zhuǎn)化為SP輻射[43]，如圖22．在這種SP輻射中，槽中的諧振模式起了重要作用．運用該方法的同時，還可大幅提高SP超輻射的輻射強度和效率．

圖22 諧振模式轉(zhuǎn)化為SP輻射[43]Fig.22 The change from resonant mode to SP radiation[43]

3.3 單個電子束團和電子束團序列激勵光柵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生太赫茲輻射

2018年，清華大學和牛津大學聯(lián)合對單個電子束團和電子束團序列激勵光柵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生太赫茲輻射進行實驗研究，實驗裝置如圖23[44]．結(jié)果表明，相干SP譜線的位置和寬度由光柵參數(shù)決定，而譜線的幅值則是微束團周期性的函數(shù)．

圖23 單個電子束團和電子束團序列激勵光柵 結(jié)構(gòu)產(chǎn)生太赫茲輻射的實驗裝置[44]Fig.23 The schematic of the experimental setup of coherent Smith-Purcell and transition radiation driven by single bunch and micro-bunched electron beams[44]

3.4 電子激發(fā)超材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生太赫茲SP超輻射

當帶電粒子靠近并平行于由金屬諧振環(huán)組成的Babinet材料表面時，會在共振頻率處產(chǎn)生強烈的電磁輻射，其模型如圖24．通過調(diào)整周期來調(diào)節(jié)特異材料的共振頻率，可實現(xiàn)輻射頻率從GHz到THz，甚至到紅外范圍的變化[45]．

圖24 電子激發(fā)超材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)生SP輻射模型圖[45]Fig.24 The model of Smith-Purcell radiation from Babinet metasurfaces[45]

3.5 電子激發(fā)亞波長孔陣列雙邊太赫茲SP衍射輻射

電子科技大學劉盛綱院士團隊[46]研究亞波長孔陣列的電磁衍射輻射，發(fā)現(xiàn)電子激發(fā)亞波長孔陣列時所產(chǎn)生的雙邊衍射輻射現(xiàn)象，特別是場通過孔的方式，如圖25．當輻射頻率小于孔時，場通過透射的方式，上下空間輻射場沒有相移，而輻射頻率高于孔時，通過傳播的方式，上下空間輻射場有相移．電子激發(fā)亞波長孔陣列雙邊太赫茲SP衍射輻射可提高SP效應的輻射效率，是一種高效太赫茲波源．

圖25 亞波長孔陣列雙邊衍射輻射的仿真結(jié)果[46]Fig.25 The simulation results of the diffraction radiation from subwavelength holes array[46]

4 類等離子體光子晶體太赫茲輻射源

行波管和速調(diào)管等傳統(tǒng)真空電子器件，都要使用磁聚焦系統(tǒng)，而離子聚焦可以不使用外磁場，或使用小的外磁場．強相對論電子束在等離子體背景下傳輸，束電子會排開等離子體電子，留下相對靜止的等離子體離子，形成離子通道．電子束的空間電荷力會被全部或部分中和，從而代替或降低引導磁場，這一方法通常稱為離子聚焦機制．

基于此，提出了基于生成對抗文本的人臉圖像翻譯方法，相比其他翻譯方法，本文的翻譯結(jié)果更好，在人臉圖像上具有很好的適應性。

基于離子聚焦機制，電子科技大學研究強相對論電子束驅(qū)動下的束-等離子體系統(tǒng)，模型如圖26[47]．通過粒子模擬得到束-等離子體系統(tǒng)在等離子體密度為1022m-3時，可獲得0.903 5 THz的電磁輻射．同時該系統(tǒng)可實現(xiàn)在沒有外加磁場情況下的電子束自聚焦．

圖26 束-等離子體系統(tǒng)的模型圖[47]Fig.26 The simulation model of the beam-plasma system[47]

為從物理上理解束-等離子系統(tǒng)的輻射機制，利用場匹配法求得束-等離子體系統(tǒng)的色散方程，并進行數(shù)值求解．結(jié)果表明，在低電子束密度、高等離子體密度條件下，束-等離子體系統(tǒng)的輻射機制為慢波輻射．

除此之外，為更接近模擬現(xiàn)象，數(shù)值推導了徑向非均勻分布下束-等離子體的色散關(guān)系[48]，通過求解色散關(guān)系可知，對于徑向非均勻等離子體系統(tǒng)而言，存在兩種電磁不穩(wěn)定性：一種為電子束模不穩(wěn)定性；一種為由束-等離子體系統(tǒng)中快等離子體波與前向電磁波耦合引起的電磁不穩(wěn)定性．

結(jié)合束-等離子體系統(tǒng)和等離子體光子晶體[49]的概念，同時為了對束-等離子體系統(tǒng)進行實驗研究，電子科技大學提出類等離子體光子晶體的概念．等離子體光子晶體及類等離子體光子晶體的模型圖，如圖27[50]．

圖27 等離子體光子晶體及 類等離子體光子晶體模型圖[49-50]Fig.27 The model of plasma photonic crystals and plasma photonic crystal like beam-plasma system[49-50]

通過對類等離子體光子晶體進行模擬研究發(fā)現(xiàn)，在同等輻射頻率的條件下，與束-等離子體系統(tǒng)相比，類等離子體光子晶體的電子效率可得到有效提高．目前，類等離子體光子晶體的實驗研究正在進行．

另外，一類基于等離子體空心陰極的太赫茲電子器件也十分引人注目．深圳大學和英國斯克萊德大學研制一只基于等離子體空心陰極的擴展互作用振蕩器．在197～199 GHz輸出功率約為10 W，脈寬約為35 ns[51-53]．

5 固態(tài)太赫茲波源

固態(tài)太赫茲波源包括固態(tài)太赫茲倍頻源、功率放大器和太赫茲振蕩源．

5.1 固態(tài)太赫茲倍頻源

基于肖特基二極管的非線性效應，將微波頻段的低頻信號通過倍頻轉(zhuǎn)換成太赫茲信號的源，稱為固態(tài)太赫茲倍頻源．固態(tài)太赫茲倍頻源具有頻率穩(wěn)定性好，易實現(xiàn)信號調(diào)制，可實現(xiàn)超寬帶工作，以及易集成、可實現(xiàn)小型化等優(yōu)點．

國外關(guān)于固態(tài)太赫茲倍頻源的研究機構(gòu)主要包括美國噴氣動力實驗室、弗吉尼亞二極管公司、英國盧瑟福國家實驗室及瑞典查爾姆斯大學等．

2012年，法國科學家MAESTRINI與美國噴氣動力實驗室成功研制最高頻率達2.7 THz、工作帶寬200 GHz、輸出功率達到μW量級的固態(tài)太赫茲倍頻器，其電路結(jié)構(gòu)如圖28[54]．

圖28 2.7 THz三倍頻器的電路結(jié)構(gòu)[54]Fig.28 The circuit of the 2.7 THz balanced frequency tripler chip[54]

美國VDI公司研制了工作頻率為0.34 THz、工作頻帶為20 GHz、最高功率達20 mW的倍頻器，該輻射源主要用于近距離成像和通信系統(tǒng)的發(fā)射源，或用于固態(tài)功率放大器或真空電子放大器的前級驅(qū)動源或者混頻器的本振源．

2014年，美國噴氣動力實驗室報道4通道54倍頻輸出頻率為1.9 THz的固態(tài)太赫茲波源[55]．

在提高倍頻源輸出功率的探索上，國外研究多采用功率合成技術(shù)設(shè)計固態(tài)太赫茲倍頻源．2014年，美國噴氣動力實驗室設(shè)計了105～120 GHz與550 GHz片上功率合成三倍頻器，其電路結(jié)構(gòu)如圖29[56]．測試結(jié)果表明，該倍頻器在800 mW功率的驅(qū)動下獲得90 mW的輸出．

圖29 功率合成技術(shù)下的三倍頻器[56]Fig.29 The circuit of tripler chip using power- combining techniques[56]

2015年9月，英國RAL實驗室研制出工作在240 ～290 GHz的倍頻源，用于驅(qū)動擴展互作用速調(diào)管[57]．該倍頻器中心頻率為280 GHz，3 dB帶寬為 6%，峰值功率為15 mW．2016年，英國盧瑟福實驗室、德國輻射物理有限公司及歐洲航天局等聯(lián)合報道工作在114 ～224 GHz的太赫茲倍頻器，其峰值功率為11.5 mW，倍頻器效率大于19%[58]．2017年，英國盧瑟福實驗室和Teratech Components公司聯(lián)合報道360 GHz固態(tài)太赫茲倍頻源，成功實現(xiàn)W波段輸入信號倍頻到360 GHz，同時獲得20 GHz的帶寬[59]．

國內(nèi)關(guān)于固態(tài)太赫茲倍頻源的研究相對遲緩．2014年，電子科技大學報道國內(nèi)首次采用單片集成肖特基二極管研制210 GHz二倍頻器，該倍頻器在210 GHz處得到0.5 mW的輸出功率[60]．2015年，電子科技大學成功研制330～500 GHz三倍頻器，其在330～500 GHz頻段內(nèi)的輸出功率大于10 μW，同時在348 GHz頻點處達到峰值功率194 μW[61]．在更高的太赫茲頻段，2015年，電子科技大學研制GaAs單片集成650 GHz三倍頻器，實驗測試結(jié)果表明，在633～652 GHz均測到功率輸出，并在650 GHz時獲得0.072 mW的輸出功率[55]．除此之外，2016年和2017年電子科技大學在G波段研制兩只固態(tài)太赫茲倍頻源[62]．2016年研制的220 GHz的固態(tài)太赫茲波源為三倍頻產(chǎn)生，在221～232 GHz頻段內(nèi)輸出功率大于5 mW，峰值功率為6.34 mW．2017年研制的220 GHz固態(tài)太赫茲倍頻放大鏈路采用二倍頻與三倍頻進行組合倍頻，在197 ～230 GHz帶寬內(nèi)，倍頻器效率均大于10%，最大輸出功率為24 mW[63]．

5.2 太赫茲低噪聲放大器和功率放大器

太赫茲功率放大器是將三極管置于正向電壓增益或者電流增益狀態(tài)，將輸入的較低功率水平太赫茲信號放大至較高功率水平的一類器件．通?；阢熈谆?InP)高電子遷移率晶體管( high electron mobility transistor，HEMT)和異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(heterojunction bipolar transistor，HBT)等高截止頻率太赫茲三極管，以單片集成電路形式出現(xiàn)．該類放大器主要優(yōu)點為低噪聲、高增益、大功率、高效率、結(jié)構(gòu)簡單和大工作帶寬．主要不足是1 THz以上頻段增益和噪聲性能下降較為嚴重，在太赫茲高頻段功率承受能力降低．

圖30為2010年美國WILLIAM等[64]報道的5級和10級670 GHz低噪聲放大器，對于5級670 GHz低噪聲放大器，在頻率為670 GHz時噪聲系數(shù)為13 dB，增益大于7 dB．對于10級670 GHz低噪聲放大器，峰值增益可達到30 dB．同年5月DEAL等[65]研制了工作在0.48 THz頻段、峰值增益達到11.7 dB的低噪聲放大器．

圖30 670 GHz 5級和10級低噪聲放大器[64-65]Fig.30 The microphotograph of 5-stage and 10-stage 670 GHz low noise amplifier[64-65]

5.3 共振隧穿型太赫茲振蕩器

共振隧穿型太赫茲振蕩器是基于化合物半導體量子隧穿機制的太赫茲波振蕩源．當共振隧穿二極管(resonant tunneling diode, RTD)加上一定直流偏壓，使其置于負阻工作狀態(tài)，再與外圍電路匹配形成振蕩回路，可直接產(chǎn)生太赫茲頻段的振蕩信號．主要優(yōu)點為較高工作頻率、體積小、易于收發(fā)集成；不足是輸出功率較低，點頻工作．

目前德國和日本在共振隧穿型太赫茲振蕩器研究處于領(lǐng)先地位，最高工作頻率達到1.3 THz，在0.55 THz的最大輸出功率為幾百μW．

6 太赫茲波源的應用

隨著太赫茲技術(shù)的發(fā)展，太赫茲波源在無線通信、成像探測、光譜探測及生物醫(yī)學等方面得到廣泛應用．

6.1 太赫茲波源在無線通信中的應用

相干太赫茲波源的發(fā)展為太赫茲通信技術(shù)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)．2006年，日本實現(xiàn)了120 GHz、10 Gbit/s、1.5 km通信演示系統(tǒng)，從此其太赫茲無線通信得到迅猛發(fā)展．國外開展相應研究的有，德國固態(tài)物理研究所、美國貝爾實驗室及加拿大多倫多大學等．目前來看，太赫茲通信技術(shù)正逐步向更高速率、更高大氣窗口頻率、低損耗、小型集成化及實用化方向發(fā)展[66]．

此外，美國和德國的研究機構(gòu)已經(jīng)開始對太赫茲室內(nèi)及室外信道模型進行研究，并取得初步成果，將為進一步指導系統(tǒng)和協(xié)議設(shè)計，為太赫茲通信系統(tǒng)走向?qū)嵱没於ɑA(chǔ)．

6.2 太赫茲波源在成像探測上的應用

高功率太赫茲波源的出現(xiàn)為太赫茲波段成像技術(shù)的發(fā)展提供基礎(chǔ)條件．2012年美國啟動ViSAR項目[67]，以彌補微波和紅外成像系統(tǒng)的不足．

德國FHR開發(fā)出超高分辨率的雷達成像系統(tǒng)Miranda300，發(fā)射和探測系統(tǒng)采用全集成的太赫茲單片集成電路(terahertz monolithic integrated circuit，TMIC)技術(shù)[68]，主要用于重要區(qū)域的隱蔽危險物遠距離非接觸性安全檢查及未來天網(wǎng)系統(tǒng)．

歐盟第7框架計劃安全主題部開始啟動TeraSCREEN項目[69]，旨在開發(fā)多頻譜融合的高幀頻和高分辨率近距離快速安全檢查系統(tǒng)，希望在3 m距離內(nèi)，實現(xiàn)高分辨率成像．

在動態(tài)核極化磁共振成像研究中，由于太赫茲回旋管具有高功率和長壽命等優(yōu)勢，太赫茲回旋管成為動態(tài)核極化磁共振成像的唯一高頻輻射源．相比其他成像方式，具有頻率連續(xù)可調(diào)諧性的太赫茲回旋管，使動態(tài)核極化磁共振成像在不采用昂貴且繁瑣的掃描線圈情況下，對成像信號進行優(yōu)化[70]．

6.3 太赫茲波源在光譜探測上的應用

寬帶太赫茲波源的發(fā)展為太赫茲光譜技術(shù)的發(fā)展提供有利條件．20世紀80年代末期，GRISCHKOWSKY等[71]在IBM沃森研究中心創(chuàng)造性地利用太赫茲時域光譜實驗方法，測量晶體介質(zhì)藍寶石、石英、熔融石英、半導體硅、砷化鎵和鍺在0.2～2.0 THz的遠紅外吸收和色散特性．自此之后，太赫茲時域光譜技術(shù)在半導體和納米結(jié)構(gòu)半導體領(lǐng)域取得突破性進展[72-73]，已經(jīng)成為研究半導體和半導體結(jié)構(gòu)中載流子動力學的一種相對成熟的有力工具[74]．相比X射線衍射、固態(tài)核磁共振和差示掃描量熱法等，太赫茲時域光譜技術(shù)具有不可替代的優(yōu)勢[75]，甚至能夠影響基于納米線半導體器件的發(fā)展方向[76]．

除此之外，太赫茲光譜學還在生物醫(yī)學[77-78]、藥物學[79-80]、化學[75]、天文學、食品科學[81]，甚至藝術(shù)品鑒定和保護[82]等領(lǐng)域獲得一系列創(chuàng)造性應用．有機分子骨架振動、轉(zhuǎn)動以及分子間弱相互作用力(如氫鍵和范德華力等)的能級均處于太赫茲波低能光子對應的能量范圍，因此所產(chǎn)生獨特而豐富的光譜特征，不僅可用來分辨不同物質(zhì)種類，還可深入分析分子的構(gòu)像變化．如太赫茲光譜技術(shù)在生物大分子，諸如蛋白質(zhì)和DNA的構(gòu)像檢測、分子間相互作用機制解析和濃度測量等方面，均取得許多研究進展[77，83]．在化學領(lǐng)域，太赫茲波作為探測分子間相互作用和分子內(nèi)振動的靈敏探針，在分子結(jié)晶、非晶結(jié)構(gòu)探測、溶劑化、生物化學、表面科學和超分子化學具有廣泛應用[75]．

6.4 太赫茲波源在生物醫(yī)學上的應用

近年得益于太赫茲波源的研究進展，太赫茲技術(shù)在生物醫(yī)學領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應用前景，尤其在生物效應、生物光譜及醫(yī)學成像等方面得到廣泛應用．太赫茲技術(shù)在生物效應方面的應用，主要包括生物大分子結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)和生物體功能的改善[84]，還有報道發(fā)現(xiàn)太赫茲電脈沖通過引起電穿孔可導致細胞發(fā)生線粒體主導的凋亡，因而在腫瘤治療領(lǐng)域顯示出廣闊的應用潛力[85-86]．與此同時太赫茲生物光譜目前已經(jīng)發(fā)展成為生物分子識別的前沿方法，其應用主要有核酸檢測、氨基酸和多肽檢測、蛋白質(zhì)檢測、生物組織檢測和細胞濃度的定量分析等[87-89]．截至目前，太赫茲成像技術(shù)已成為一種十分有力的生物醫(yī)學檢測工具，太赫茲成像技術(shù)憑借其非破壞性、非接觸性和高分辨率的優(yōu)點廣泛用于癌癥檢測、創(chuàng)傷和燒傷檢查、皮膚內(nèi)藥物追蹤、軟骨損傷成像和太赫茲內(nèi)窺鏡技術(shù)等，極大地推動著生物醫(yī)學技術(shù)的發(fā)展．

相比其他頻段電磁波，太赫茲波在生物和醫(yī)學的應用方面具有如下獨特優(yōu)勢：

1)太赫茲波的光子能量很低，不會引起細胞中原子的電離和激發(fā)，與傳統(tǒng)的高能輻射(紫外線、X射線和伽馬射線)相比，不會對生物體帶來損傷，因此，在醫(yī)學檢測和成像方面十分安全，可用于人體和其他生物樣品的活體無損檢測[90]．

2)許多蛋白質(zhì)、脂質(zhì)分子和核酸的固有振動和轉(zhuǎn)動頻率處于太赫茲頻段，通過太赫茲光譜分析可對生物分子進行特異性識別和鑒定，即得到生物分子的THz指紋譜．通過分析生物分子太赫茲響應譜還可得到其他電磁波頻段無法獲取的生物分子構(gòu)像信息，在分子層面對疾病診斷提供可靠依據(jù)[91]．

3)太赫茲波對水非常敏感，同時太赫茲的空間分辨率高，可達幾十微米的量級，因此太赫茲波適合用來分析生物分子的水合狀態(tài)，從而進行高分辨率和高對比度的生物組織成像．太赫茲醫(yī)學成像作為一種新穎的成像技術(shù)發(fā)展迅速，太赫茲實時成像和太赫茲層析成像等技術(shù)相繼被提出[90-92]．

4)太赫茲波相對微波毫米波而言，具有更高的分辨率，可獲得更精確的空間信息．而與較高頻段的光波相比，太赫茲波不僅可以成像，同時可以得到生物分子的特征性物理參數(shù)，有廣闊應用前景．

近年來，隨著太赫茲技術(shù)的不斷成熟，太赫茲在生物醫(yī)療的諸多領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用．

結(jié) 語

本文評述國內(nèi)外基于電子學的太赫茲輻射源的發(fā)展研究現(xiàn)狀，包括基于新型慢波結(jié)構(gòu)的太赫茲輻射源、基于電子回旋諧振脈塞的太赫茲輻射源、基于史密斯-帕塞爾效應的太赫茲輻射源、基于類等離子體光子晶體的太赫茲輻射源，以及固態(tài)太赫茲波源，分析和介紹基于電子學的太赫茲輻射源應用．指出面對新興技術(shù)革命，真正找到下一代核心器件， 以滿足應用需求至關(guān)重要． 新材料、 新結(jié)構(gòu)、 新機制及新工藝的不斷出現(xiàn)， 為高功率、高頻率、小型化及集成化的太赫茲輻射源研究帶來新希望．