1.1 THz波
麦克斯韦方程组打开了人类对电磁波的认知大门，此后人类开始尝试产生、探测、操控电磁波，并尝试在各个频率范围应用电磁波。对于低频电磁波，人们通常采用经典电磁学技术来获得；对于高频电磁波，人们则利用光学和量子力学技术制造辐射源（如发光二极管、半导体激光器等）来获得。然而，当电子学技术和光学技术用于研究夹在二者之间的电磁频段（如THz频段）时，则面临材料响应速度、器件加工难度，以及系统集成技术等方面的难题与挑战，因此THz频段长期未得到开发和利用，它被称为“THz间隙”或“THz空白”，如图1-1所示。THz频段在未获得正式命名时被称为“亚毫米波”，在微波技术领域被定义为极高频区，在光学领域被称为远红外区。随着人们对电磁频谱认识的深入和科学技术的快速发展，该频段的重要特性和潜在应用市场逐渐被人们察觉。因此，自20世纪末开始，全世界掀起了THz科学与技术研究的热潮，并延续至今。
1.1.1 从红外探测到THz波的发现
说起THz波的起源，首先得从红外探测谈起。1800年，德国科学家Herschel在三棱镜分光实验中发现，在红外这一肉眼不可见的区域，温度计也有示数变化，他猜测一定存在看不见的光子，图1-2所示为该实验的装置示意。受限于当时人类对大自然的认知水平，他将这部分不可见的光子的产生归因于红外辐射。为了纪念对发现红外辐射有巨大贡献的Herschel，人们将后来的红外空间望远镜命名为“Herschel”。
图1-1 THz频段与电子学、光学技术的关系
图1-2 三棱镜分光实验装置示意
在Herschel发现红外辐射之后的20年里，除了确定红外辐射遵循简单的光学定律之外，科学界几乎没有任何进展，因此并未对红外辐射进行充分的开发和利用。这主要是由于缺乏灵敏且精确的探测器。19世纪20年代，Seebeck开始研究导电材料结点处的行为。1821年，Seebeck发现泽贝克效应，即两种导体或半导体接触产生温差电动势，在红外光照射下会产生一个电压。在那个时期，大多数的物理学家都认为热和光是不同的现象，Seebeck的发现间接引发了关于热本质的讨论。Seebeck实验中的输出电压系数很小，为μV/K量级，因此无法用于测量非常小的温差。
1829年，Nobili依据Seebeck发现的热电效应将几个热电偶连接起来，制作了第一个热电堆探测器。在后来的实验中，也有科学家将锑化铋作为热电堆材料，从而大幅提高了红外探测的灵敏度。1833年，Melloni提出了将几个铋铜热电偶串联起来的想法，研制出的红外热电堆探测器的探测距离可达10m，这在当时是非常令人震惊的。这种热电堆结构的输出电压随着热电偶数量的增加而线性增加。
1880年，Langley将两个厚度很薄的铂带连接起来形成惠斯通电桥的两个臂，从而研制出铂带测辐射热计。这台仪器的出现使他可以研究远至红外区域的太阳辐照度，并测量不同波长对应的太阳辐照度。测辐射热计的灵敏度比热电堆探测器的灵敏度高得多。Langley在接下来的20年里继续发展测温仪，成功将灵敏度提高了400倍。他设计的探测器可探测到400m外的奶牛散发的热量，这在当时是了不起的开创性工作（现在人体测温也仅能在几米距离内进行）。图1-3展示了红外探测器的发展历程。
图1-3 红外探测器的发展历程
那么，红外探测和THz波之间有什么联系呢？实际上，从波长来看，THz波是红外波段沿长波长方向的延伸。THz波的起源如图1-4所示。1865年，麦克斯韦提出麦克斯韦方程组，并预测“光是电磁波”，可通过电生磁、磁生电的工作原理产生和探测电磁辐射。
1887年，赫兹在一次放电实验中偶然发现电磁共振现象，随后用火花间隙发生器产生和探测到电磁波。著名的赫兹实验采用的实验装置实际上是充放电装置，赫兹后来通过这个装置测量了电磁波的波长、频率、速度，发现与麦克斯韦的预言一致，从而证实了电磁波的存在，电磁波“诞生于世”。但是，赫兹实验中的电磁波频率很低，后来科学家从电子学和光学角度考虑提取THz频段。
图1-4 THz波的起源
1895年，Lebedev使用类似赫兹实验中的装置产生并探测到波长为6mm的电磁波。1896年，Lampa报告了类似的4mm波长电磁波的探测结果。1897年，Rubens等人研制出基于测辐射热计的光谱仪，并使用红外热源和多个反射板来分离一个非常窄的波长带，产生了波长大于50μm的单色光，首次在实验中探测到THz波。
上述实验具有非常重大的意义，因为在这些实验之前，人们没有办法标定THz频段的辐射能量分布。这个实验为普朗克提供了THz频段的辐射能量分布，为普朗克黑体辐射理论的确立奠定了重要基础。20世纪20年代，普朗克对Rubens等科学家做出了高度评价。如果没有他们的实验数据支撑，普朗克理论，甚至后来的量子理论不一定会取得开创性的进展。最终，“Terahertz”这个单词出现于1974年，Fleming首次使用这个单词来描述迈克耳孙干涉仪所覆盖的一段频谱。
1.1.2 THz波在电磁频谱中的位置
那么，到底什么是THz波？THz波位于微波与红外波段之间，通常被定义为0.1～10THz频段的电磁波。1THz对应周期为1ps，对应波长为300μm，对应光子能量为4.1meV，辐射亮温对应47.6K。近年来，随着THz科学与技术的快速发展，THz频段的定义也有所扩展，图1-5展示了THz波在电磁频谱中的位置及其频段的扩展。低频段扩展到几十GHz的电磁波有时也被人们称为THz波，高达100THz的频段有时也被人们称为THz频段，这使得该频段的频率定义不那么严格。因此，THz频段的覆盖范围是微波与毫米波覆盖范围之和的30倍以上，是各个国家竞相抢占的战略资源，在军用和民用领域都存在大量应用需求。但是，该频段一直处于电子学与光学的交界处，尚未得到充分开发和利用。
图1-5 THz波在电磁频谱中的位置及其频段的扩展
1.1.3 THz波的特点
THz波之所以受到广泛关注，与它的一些特点有关。随着电磁频谱被一步步划分和利用，THz波也得到更广泛的研究与应用。由于处在电磁频谱中的独特频段，THz波具有以下特点（见图1-6）。
图1-6 THz波特点及其对应的应用场景
（1）高频率：相较于传统的无线通信电磁波，THz波具有更高的载波频率，使得其在高速无线通信技术中有巨大的优势，是未来6G无线通信技术的有力支撑。
（2）超宽带：基于光导天线的连续波THz系统目前可以覆盖0.1～2.75THz频段，而部分超快脉冲式THz系统的频谱宽度甚至超过了30THz。如此宽的频段有助于其在物质鉴别、智能感知等领域发挥独一无二的作用。
（3）超高速：THz波的带宽大约是长波、中波、短波、微波总带宽（30GHz）的1000倍，由香农定理（最大传输速率与带宽成正比）可以得到THz波的传输速率为几百Gbit/s。
（4）穿透性：对于衣物、纸张等不导电的物质，THz波具有非常好的穿透性。对于导电性好的金属和液态水等，THz波很容易被反射和吸收。基于这个特点，THz波可穿透非极性分子材料并获得更高的空间成像分辨率，在安检成像方面已展现出重要应用价值。
（5）低光子能量：1THz的THz波对应的单光子能量约为4.1meV，对应许多凝聚态物质的费米能级，因此THz波可以用于冷光源激励和调控新奇量子物态，服务量子计算与量子传感。不仅如此，低光子能量赋予THz波安全性，在电场强度不是太大的情况下，不容易对生物组织产生电离辐射等副作用，可用于生物组织检测。
（6）保密性：THz波频率高、波长短、方向性好，在未来无线通信应用方面，有望制备光斑发散角小、方向性好的收发设备，减少信道间干扰，具有很好的保密性。