太赫兹探测技术在遥感应用中的研究进展

1、第3期 2009年6月Journal of C AE I TVol . 4No . 3Jun . 2009THz 研究专题收稿日期:2009204230修订日期:2009205224基金项目:国家863计划支助项目(2006AA12Z135 ; Science and Technol ogy Co mm issi on of ShanghaiMunici pal (06PJ14042 ;Knowledge I nnovati on Pr ogra m of Chinese Acade my of Sciences (Nos . C2-38太赫兹探测技术在遥感应用中的研究进展戴宁, 葛进, 胡淑

2、红, 张雷(中国科学院上海技术物理研究所, 上海200083摘要:近年来, 世界各国都对太赫兹科学给予了很大的关注, 相应的太赫兹辐射源和探测器的研究和发展速度加快, 太赫兹技术应用也取得了实质的进展, 特别是太赫兹波在空间天文观测和大气遥感中的应用。种亚毫米波、太赫兹波探测系统在天文观测和大气遥感中的具体应用, 遥感领域中的巨大应用前景。关键词:太赫兹探测; 遥感; 大气中图分类号:O441文献标识码:A ( 032231207The D D etecti on Techn i ques i n theti on s of Re m ote Sen si n gDA IN ing, GE J

3、 in, HU Shu 2Hong, Z HANG Lei(I nstitute of Technical Physics, Chinese Acade my of Sciences, Shanghai 200083, China Abstract:During the last few years, terahertz science has become a research hots pot in the world . The studies on ne w terahertz s ources and detect ors and their devel opment are acc

4、elerating . Further more, s ome terahertz techniques have been put int o p ractice in the field of s pace astr onom ical observat ory and at m os 2pheric re mote sensing . I n this article, several ne w terahertz detecti on methods and s ome working terahertz detect ors f or astr onom ic observat or

5、y and at m os pheric re mote sensing are intr oduced . The successful uses of these novel techniques and instruments have clearly shown the huge exciting app licati on p r os pect of ter 2ahertz in re mote sensing .Key words:terahertz detecti on; re mote sensing; at m os phere0引言太赫兹波(THz, terahertz

6、electr omagnetic wave 是指电磁振荡频率在1012Hz 数量级附近的电磁波。通常把频率在100GHz 10T Hz 范围内, 对应的波长在303000m 间的波段称为太赫兹波段。太赫兹波段处于微波毫米波和红外线之间, 相对微波无线电, 太赫兹的频率太高, 无法采用微波无线电的常用技术; 相对红外和可见光, 太赫兹的频率又太低而不能采用常用的光学技术。因此, 太赫兹波的产生和接收(探测 至今依然是难题。太赫兹波段是人类迄今为止认知最少的电磁波, 自然界也没有高效率的太赫兹源。近年来得益于超快光电子技术和低尺度半导体技术的发展, 为太赫兹波段提供了较为合适的光源和探测手段, 太

7、赫兹科学和技术有了飞速的发展。世界各国都十分重视对太赫兹新技术的研发, 有些2322009年第3期 国家甚至将其列入国家重大科技战略。我国政府也特别的在2005年专门召开的“香山科技会议”, 讨论并制订我国太赫兹技术的发展规划。1太赫兹空间技术的研究前景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1, 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, 促进太赫兹技术蓬勃发展的需求动力却是人们渴望通过新的电磁波段观测和探索宇宙和地球,

8、天文和空间观测的需求极大地促进了对太赫兹的研究。在类星体的宇宙尘埃、彗星和行星中存在大量氧气、, 2。, 也称为亚毫米波, 同样具有方向性好, , 太赫兹波的这些特性优于可见光和近红外光。而且亚毫米太赫兹波的来源不受时间的影响, 探测器可以全天候工作3。另一方面, 由于波长较微波小, 所以探测器件的尺寸和重量要远小于微波器件, 适合卫星和空间站搭载。太赫兹也是射电天文学极其重要的研究领域。20世纪90年代以来, 国际上太赫兹/亚毫米波的一系列重大发现不断刺激着天体物理学各个层次的研究。美国国家航空航天局(NAS A 对于宇宙背景辐射的研究结果表明, 在可观测的星系中, 亚毫米波辐射占相当大的比

9、例, 这些辐射大多来自低温的宇宙尘埃, 而较老的星系充满了这样的宇宙尘埃。因此, 观测和分析宇宙尘埃的太赫兹辐射就成了天文学家研究宇宙的重要技术手段。在使用太赫兹技术以前, 这些物质的辐射除了在海拔很高或者月球表面以外根本无法探测。美国国家射电天文观测局和几个国际组织计划合作建立了一台1. 5T Hz 的地面射电望远镜用于天文观测。小型太赫兹波空间探测器可以用于小行星和彗星的探测, 欧洲航天局(ES A 计划发射的卫星Rosetta 将携带一个562GHz 的太赫兹波探测器, 用于观测W irtanen 彗星头部和尾部的水蒸汽和碳化物。虽然太赫兹波探测器的尺寸比传统的射电探测器小, 但观测质量

10、和分辨能力却更优。NAS A 发射的Aura 卫星上搭载了一个2. 4T Hz的激光器, 用以测量同温层内OH -的浓度和分布。南极天文望远镜装有OPT L 激光器作为接收器的本机振荡器, 用以测量N +2、H 2D +和CO 等。太赫兹亚毫米波在大气遥感中具有广泛的应用前景。大气中的微粒对光束有散射作用, 散射强度与波长的四次方成反比。当不存在吸收物质时, 太赫兹波的衰减低于可见光。一般当大气中存在的微粒尺寸与探测波长接近时, 探测信号会明显改变, 因此使用太赫兹波可以监测沙尘天气4。更重要的是在该波段内许多分子有特征吸收线, 可以用来探, 如水气、冰云、臭氧等5, 6, 。太赫、氮、硫、氰

11、废气有7。大气对流层中含有大量水气, 水气转动和振动吸收谱线的展宽效应使得太赫兹波(尤其是>1T 的短波段 无法传播很长距离, 即使远方星体产生的较强太赫兹波也无法被地面接受, 地面太赫兹波也不容易发射出去。当探测器跟随卫星、空间站、航天飞机、高空气球等到达平流层上方后, 由于星际间稀薄的气体对太赫兹衰减很弱, 从遥远星体上发射出来的太赫兹波就容易被探测到。这些来自星际物质的太赫兹波往往会包含各种气态分子的信息, 通过研究特定分子吸收谱线的峰位、半宽、形状的变化就能获得该处气态分子压力、温度、气流速度的信息。通过研究辐射源的空间分布也可以获得由星际尘埃构成的螺旋星系的空间结构。此外, 宇

12、宙膨胀退行速度导致了光谱红移, 使得最遥远星系的辐射偏移到了T Hz 波段, 利用T Hz 波就可以探测宇宙的演化8。根据黑体辐射维里位移定律, 辐射极大值峰位在3000/T(T 为绝对温度, 波长以m 为单位 , 对于星际中大量处于10100K 的冷物质来说, 辐射波长极大值刚好在30300m, 也就是0. 11T 频率范围内。综上所述, 太赫兹波在天文、大气遥感中具有重要的研究和应用价值。随着遥感领域的扩大, 人们对太赫兹探测的灵敏度和频率范围提出了越来越高的要求, 导致近年来太赫兹技术的飞速发展。2太赫兹探测技术太赫兹探测技术主要分主动式和被动式。主动探测技术是基于太赫兹时域光谱而发展起

13、2009年第3期戴宁等:太赫兹探测技术在遥感应用中的研究进展233来的光电导天线探测技术9及电光取样探测技术10, 可在常温下高灵敏地探测低背景噪声的相干太赫兹信号, 比较适合于实验室研究。光电导天线由两根蒸镀在比如LT 2Ga A s 基片上的平行电极组成(如图1所示 。当波长为800nm 的飞秒激光(p r obe bea m 入射到半导体基片上的平行电极之间的区域时, 会使天线基底产生大量的自由载流子。太赫兹源发出的脉冲太赫兹电场(T Hz bea m 如果这时也入射到天线表面, 就会将载流子驱向天线的两极, 从而使外接的电流指示器产生读数。当自由载流子的寿命远小于太赫兹脉冲周期时, 近

14、似认为由飞秒探测激光束激发的自由载流子受到一个恒定电场的作用, 电流指示器所示的电流强度与太赫兹电场成线性关系。记录下光电流的变化也就记录下了太赫兹脉冲电场的时域波形。图1光电导天线结构电光探测的过程与此相仿, 只不过使用的器件是ZnTe 之类的具有电光效应的晶体。太赫兹辐射电场改变了晶体的折射系数, 从而使得晶体具有双折射性质, 因此线偏振的探测激光束在与太赫兹电场作用后变为椭圆偏振光, 测量通过晶体探测激光束的椭偏度就能获得太赫兹电场辐射强度。太赫兹主动探测在大气遥感和天文遥感中的直接应用还较少, 目前仅限于实验室模拟环境下的谱线测量。典型的太赫兹探测晶体11与主动式的太赫兹探测成像如图2

15、所示。图2主动探测太赫兹成像被动探测技术主要有热辐射计12, 热膨胀式探测盒(Golay 13, 肖特基二极管直接探测, 差频检测等。差频检测的核心器件主要有肖特基二级管混频器14, 超导-绝缘-超导结混频器(SI S 15, 热电子辐射混频器(HE B 16。(1 热辐射计(bol ometer 热辐射计可以直接探测热辐射, 利用热敏电阻在受到热辐射时的阻值变化来测量辐射的强度。热辐射计可以在常温下工作, 然而在检测T Hz 波这样的低能量长波时, 为了提高灵敏度往往使其工作在液氦环境下, 1. 7K 下。(2 盒, 被。辐射吸收膜把能量传给与之相连的小的封闭气室, 使其中气体温度升高, 压

16、力也随之升高, 从而推动与气室相连的反射镜偏转, 通过光学测量检测反射镜的偏转量就可以探测太赫兹辐射功率。这种探测器的对波长可以不进行选择, 响应时间比较慢。(3 肖特基二级管半导体混频器是一种非线性电子学元件, 可在室温下直接测量T Hz 的辐射强度。肖特基二级管属于非相干测量, 灵敏度也比较低, 测量频率<1. 5T 。(4 外差式肖特基混频器肖特基二极管更多的是和本地振荡源相结合进行差频测量, 能极大地提高探测灵敏度。由于是相干测量, 还可以获得相位信息。外差探测过程中, 本地振荡器产生一个与待测信号频率相近的单一频率电磁波, 称为参考波。待测THz 信号与参考波同时通过混频器进行

17、差频, 产生一个中频信号(GHz 量级 。该中频信号经过一个特定的滤波器滤波后再进行放大, 就可实现待测信息的获取, 且灵敏度远高于肖特基二级管直接测量。(5 超导体一绝缘体一超导体结混频器超导体一绝缘体一超导体(SI S 结混频器是目前THz 射电天文和大气物理研究的核心技术。SI S (superconduct or 2insulat or 2superconduct or 探测器以光子辅助隧穿机制为理论基础。1962年Josephs on在理论上预言:若两个超导体之间隔有一层约几个纳米的绝缘体介质, 弱电流能无阻的穿过介质。后2342009年第3期 被贝尔实验室的实验证实, 称这种现象为

18、约瑟夫逊效应。外界入射光子可以使超导隧道结的V -I 特性发生变化。根据这一原理可以制备性能优良的光电探测器。SI S 探测器探测频率<1. 8T, 具有很高的探测灵敏度, 是未来毫米波、亚毫米波遥感应用的发展方向。(6 热电子辐射热计热电子辐射热计(HEB , heat electr on bol ome 2ter 或热电子测热电阻混频器是近年来利用声子和电子散射冷却机制发展起来的一种高灵敏度探测器, 主要部分是Nb, Nb N, NbTi N , A l, Y BCO 等材料制成的尺寸为微米量级的微桥, 探测过程依赖T Hz 信号的热效应, 具有响应频率快, 响应时间极快的特点(快声

19、子或电子扩散机制 。与SI S 技术相比热电子辐射热计工作频率更高, 探测1THz 以上太赫兹辐射时性能更好。目前HE B 5T Hz, , 率1100n W 的量级。3图如图3所示17探测方式的 图3外差式探测器的噪声温度图表1太赫兹探测方式的比较探测方式噪声等效功率频率范围工作温度辐射热计10-1510-12W /Hz1/2全波段液氦(T Hz 波段Golay box10-10W /Hz1/2全波段常温二极管直接10-10W /Hz1/2<1. 8T Hz常温二极管外差10-19/Hz1/2由本地振荡源决定常温SI S 外差10-2110-20W /Hz1/2由本地振荡源决定液氦HE

20、B 外差10-2110-20W /Hz1/2由本地振荡源决定液氦从表1可以看出, 后3种外差式检测方式的噪声等效功率要明显低于前3种, 甚至接近噪声量子极限。自然界中的T Hz 波一般来源于星体, 气体或地面物体的热辐射, 但辐射强度比较弱。在遥感探测中一般使用被动式探测, 灵敏度是最为重要的技术指标, 所以当代卫星搭载的探测器多采用低温外差检测方式。3太赫兹探测技术在遥感中的应用分子谱线的分辨和确定, 宇宙环境中小分子的热辐射和吸收特征特性的研究一直是推动太赫兹探测在天文遥感中应用的主要原因。近年来, 全球变化对人类生存环境的影响研究也逐步走向深入。基于这两方面的需求, 空间太赫兹探测器在遥

21、感应用中显示出越来越大的作用, , ; 在探测波长上从微波(10GHz 逐渐过渡到太赫兹亚毫米波; 在探测技术上则从直接测量发展到了低温外差式高灵敏测量; 在测量分辨上从宽波段测量发展到了高分辨连续频率测量。最早的遥感测量可以追溯到NAS A 在1962年发射的, 用以监听来自金星微波信号的Mariner 2(水手2号 。前苏联也于1968年和1970年发射了Cos mos 243与Cos mos 384, 他们使用微波探测技术监听337GHz 波段, 首先对地球大气的降水, 云层分布, 大气温度和压强进行了观测。这一时期还没有对特定谱线予以分辨, 频率也限于10GHz 附近18。随后于197

22、4年, 前苏联发射的Cos mos 699第一次实现了远红外T Hz 意义上对地和对太空的观测。Cos mos 699搭载了制冷辐射热计(cooled bo 2l ometer , 探测频率约300GHz 。1978年前苏联Sa 2lyut 6(礼炮号 空间站搭载的天文望远镜更是使用了4K 温度下的Ge 和I nSb 辐射热计, 灵敏度已经达到10-12W /Hz1/219。由于技术原因, 早期的微波或亚毫米太赫兹波探测所观测的只是低谱线分辨的宽带谱。即便这样, 1983年由NAS A 发射的I RAS 红外天文卫星也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

23、上的光子处于远红外波段20。20世纪90年代后, 由于太赫兹亚毫米波外差探测方式的发展, 使得高分辨率高灵敏度远红外光谱测量成为可能。最著名的是1991年NAS A 发射的大气上层观测卫星UARS, UARS 上搭载的微波临边探测器(MLS , 探测器多个辐射计的观察波段2009年第3期戴宁等:太赫兹探测技术在遥感应用中的研究进展235中心频率为63, 183与205GHz, 从而使用外差高分辨率远红外谱线测量方式第一次测定了同温层中的臭氧、水份等分子含量随大气压力变化的轮廓21。此外, Fabry 2Per ot 干涉技术及低温光电导元件的使用, 使得高分辨的天文观测成为现实。1995年ES

24、 A 发射的红外空间观测站(I S O 携带了2300升超流体液氦, 用于超低温冷却(1. 8K 掺镓的锗光电导探测器, 实现了波长从2240m , 光谱分辨率(f/f 高达数万的探测, 首次测到了星际空间中含有的HF 分子, 并测定了氢分子的同位素比例22。毫米波与亚毫米的分界是300GHz 。1998年美国发射的亚毫米波人造天文卫星(S WAS 携带了冷却到170K 的肖特基混频外差接收系统。这是NAS A 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(487GHz 、水(557和547GHz 、碳(492GHz (13CO, 551GHz 观察波段的中心频率为带宽

25、分别为±350, 通过观察不同星座中550, 可以推测得到各星球周围的大气环境参量23。紧随美国之后, 2001年欧洲的瑞典, 法国, 芬兰等发射了Odin 太赫兹波段卫星, 用于天文及高层大气研究。对大气观察高度范围为15120km , 观察频率范围为118. 25119. 25G Hz, 486. 1503. 9G Hz 及541. 0580. 4GHz 。可以监测氯化物和臭氧层信息24。2004年ES A 发射的罗塞塔人造飞行器(M I RO , 工作频率为188和560GHz, 将于2014年将探测器放置在彗星上, 以探测慧尾和彗核中存在的一氧化碳、氨、甲醇等物质的含量25。

26、接下来的一个十分重要的太赫兹探测卫星是由NAS A 在2004年7月15日发射升空的“先兆”(AU 2RA 。AURA 卫星是对地观测系统(E OS 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, 其观察波段中心频率分别为118, 190, 240, 640GHz 和2. 5T Hz 。中间3个频率的测量使用常温的耿式振荡器作为本征源, 由肖特基二极管进行差频转换。118GHz 通道采用I nP HE MT 预放大和频率转换技术。而作为标志性的首次THz 频率探测(2. 5T Hz 通道 使用了远红外激光器作为本机振荡。远红外激光器为CO 2激光器抽运的甲醇蒸汽气体激光器,

27、 由Coherent 公司生产, 激光输出频率2522GHz, 功率20mW , 与UARS 上搭载的MLS相比可以测量更多的大气成分(OH, HO 2, H 2O , O 3, HCl, Cl O , HOCl, B r O, HNO 3, N 2O , CO , HCN , CH 3CN, S O 2等 , 云中的含冰量, 大气温度, 以及高层大气中的污染物质。这一T Hz 波段的探测极大地增进对臭氧层、大气组分和气候变化关系的理解26。日本为国际空间站日本舱研制的亚毫米波临边探测器JE M /S M I L ES 近期也将装配调试并进行发射。JE M /S M I L ES 使用了最新研

28、发的液氦冷却SI S 探测器, 探测频段为624639GHz 。NAS A 和ES A 已经计划近期内在圭亚那航天中心发射Herschel 太空望远镜。主要P I F I 。H IF I 为高使用SI S 探测器(bands 1. 250THz 与HEB (bands 67; 1. 41. 9T Hz 和2. 42. 7THz 进行混频。由美欧等国联合研制的单孔远红外太空望镜(S AF I R 计划用于太空观察, 研究宇宙中银河系、行星等最初演变。S AF I R 预计在20152020年发射, 观察波长范围从40m 1mm , 采用低温工作的SI S 或HE B 进行混频完成外差式接收, 并

29、使用THz 激光器作为本机振荡器。S AF I R 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。除了空间轨道太赫兹探测器外, 2002年由荷兰宇航科学院(SRON 与德国联合研制的机载亚毫米辐射计(AS UR 已经在NAS A 的DC -8等飞机上进行过几十次的飞行实验, 用于探测同温层示踪气体(trace gases 的热辐射。AS UR 测量的示踪气体包括HCl, O 3, Cl O , N 2O , HNO 3, CH 3Cl, H 2O , B r O, HO 2, HCN, NO 等。仪器的探测范围为604. 3662. 3GHz, 使用液氦冷却的SI S

30、 探测器。由欧洲合作研制的气球运载大气监测仪在2007年进行了测试飞行。TE L I S 搭载了高灵敏度的低温(4K 超导外差式探测器, 可以探测的物质包括O 3, Cl O , B r O, N 2O , HCl, HNO 3, CH 3Cl, HOCl, 以及OH 与H 2O 。系统包括一个500GHz 接收器, 一个500650GHz 接收器及一个1. 8THz 接收器。500GHz 接收器使用SI S 探测器, 而相应的本机振荡源信号通过锁相电介质调谐基频振荡器经过变容二极管倍频得到。500650GHz 接收器是第一次投入实用的超导集成接收器(SI R , SI R 在一个单独的芯片上

31、集成了包含天线的混频器、本机振荡器及一个额外的谐波振荡器用于组成本机振荡的锁相电路。1. 8T Hz 频段的探 236 2009 年第 3 期 测由 HEB 进行混频 ,探测器需要置于低温环境下工 27 作 。太赫兹波段遥感探测使人们加深了对星际物 质分布的了解 ,也使人们能够监测大气的运动情况 , 从而及时了解如臭氧空洞、 、 沙尘 废气排放、 降水分布 等一系列关乎人类生存的环境问题 。由于太赫兹探 测在遥感应用的重要性 ,使用更灵敏的探测器进行更 细致更广泛的遥感测量计划已经被提到日程上来。 综上所述 , 在航空遥感中亚毫米波主要用于大 气中水 、 臭氧等对大气环境有关键影响物质的探测

32、。 由于水汽的吸收作用 , 探测范围仅限于同温层以上 的高层大气 ,且往往由卫星 、 飞机或者探空气球携带 仪器进行探测 。用于接收信号的混频器以肖特基二 极管为主 ,其他如 SIS或 HEB 等混频器技术也正逐 步成熟起来 。在天文遥感中 , 由于宇宙中的背景辐 射大都在 THz波段 ,所以太赫兹遥感对于推测星体 演化和星云气体成分和状态有着很重要的价值 。 由于 SIS或 HEB 等高灵敏度探测器需要在 4 K 或 4 K以下才能工作 , 而这一低温条件在太空中较 难满足 ,所以目前航天使用的探测器大都为肖特基 二极管 ,而且由于本机振荡源频率的限制不能对大 于 1THz的频率进行探测 。

33、只有 EOS Aura卫星使用 OPTL 实现了对 2. 5 THz频率的探测 。预计在解决 参考文献 : 1 许景周 ,张希成 . 太赫兹科学技术和应用 M . 北京 : 北京大学出版社 , 2007. 2 PH I L IPS T G, KEENE J. Subm illim eter A stronomy J . L 3 DAV IS C, EMDE C, HARWOOD R. A 3D Polarized Re2 versed Monte Carlo Radiative Transfer Model for mm and 4 李宇晔 ,王新柯 , 张平 , 等 . 模拟沙尘暴条件下的太

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39、敏度探测器 。 4 结 语 目前国内研究亚毫米波段探测器在遥感领域的 应用还不是很多 ,中科院紫金山天文台研制了 90 115 GHz SIS超导混频技术用于青海观测站射电天 文望远镜 。工作频段为 85 115 GHz, 主要用于射 电天文观测 ,用于研究早期宇宙演化 ,行星形成 。中 科院上海技术物理研究所早在 20 世纪 90 年代初就 开始了毫米波 、 亚毫米波的外差接收探测系统研究 , 设计制造了兼有光学 、 微波结构特色的肖特基二极 管 ( S B. D 型 亚毫米波高次谐波混频器 , 并建立了 . 以其为核心部件的远红外激光外差探测系统 。采用 不同类型的毫米波振荡源 ,选择不同

40、的谐波次数 ,先 后成功地对 496 mm 432. 6 CO2 光泵激光、 mm 337 HCN 激光 , 214 mm 和 184 mm CH2 F2 激光等多种类 型的远红外激光线进行了外差探测 ,获得了良好的结 果。在近十年来国际上太赫兹探测研究热潮的推动 下 ,应致力于发展高灵敏 ,高光谱分辨率的集成太赫 兹探测元件 ,为大气遥感观测需求提供关键元器件 。 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 10 WU Q , ZHANG X C. U lt

41、rafast Electro 2 tic Field Sensors op 12 R I CHARDS P L. Bolometer for Infrared and M illi etre m 15 DOLAN G J, PH I L IPS T G, WOODY D P. Low 2noise L 16 ANDERS S,W I L I M R M , P IERRE M , et al A lum inum L A . 11 WANG R, GE J, FANG W Z, et al THz Em ission and De2 . 13 L I D I RD K C. App licat

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