书名：太赫兹科学与技术
ISBN：978-7-115-67066-3
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著 吴晓君
责任编辑 郭 家
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本书聚焦太赫兹科学前沿和技术应用，分为基础篇、仪器篇、案例篇、前沿篇，共22章。基础篇（第1～5章）介绍太赫兹波及其产生方法、探测方法、调控方法以及太赫兹波的传输。仪器篇（第6～12章）介绍光纤飞秒激光器驱动的太赫兹时域光谱系统、钛宝石激光振荡器驱动的太赫兹时域光谱系统、高分辨率太赫兹频谱仪、铌酸锂强场太赫兹多光谱探测系统、磁性纳米薄膜太赫兹波产生与探测系统、太赫兹量子级联激光器成像系统，以及太赫兹散射型扫描近场光学显微镜等仪器。案例篇（第13～17章）介绍太赫兹吸波材料、面向龋齿早筛的太赫兹光谱与成像、太赫兹皮肤检测潜在应用、太赫兹无线通信、太赫兹扫描近场光学显微成像应用案例。前沿篇（第18～22章）介绍非线性太赫兹纳米超表面、超快强场非线性太赫兹纳米超表面、自旋太赫兹发射器增强与应用、太赫兹蚕卵发育智能检测应用、激光诱导二维磁性超晶格产生室温超快自旋太赫兹波等前沿技术。
本书主要面向刚进入太赫兹领域的本科生、研究生，也可供物理学、化学、材料科学等领域的科研人员，以及对太赫兹科学与技术感兴趣的读者参考。
截至目前，“太赫兹科研课堂”课程已经开展了近10个轮次，指导了50多名本科生。在教学实践中，我始终坚持对这门课程进行改革和创新。
在第一个轮次中，我让两名本科生直接加入课题组的工作群，要求她们每周写周报，由研究生指导并开展具体的实验。这两名同学后来都顺利保研，其中一名还留在了我的课题组，但我始终觉得“太赫兹科研课堂”的教学效果不尽如人意。
在第二个轮次中，报名选课的同学增加到了18人，但学校要求这类课程最多只能招收10名学生。我不得不“忍痛割爱”，选拔10人来参加“太赫兹科研课堂”课程。同时，我也做了认真的准备，例如第一堂课采用模拟公司运营的方式，让研究生作为每个“公司”的创始团队，宣讲自己的项目，吸纳本科生进入“公司”。我以这样的方式开启了本科生和研究生直接合作的“破冰之旅”。同学们如果对“公司”不满意，还可以直接找我换项目。每周一晚上，我组织召开进展汇报会，同学们按照课题组给的模板汇报研究进展。我经常被同学们的口才、对科研的好奇心，以及在实验室做事的专注力打动，这样的汇报经常进行到晚上十点甚至十一点……再后来，我还针对“太赫兹科研课堂”所开设的项目，让同学们分组进行路演。同时，我邀请了科学家、投资人、项目经理等作为嘉宾来进行模拟提问，让同学们体会如何面向实际需求来管理和运营自己的项目。另外，我还组织同学们去投资公司参观，为他们提供开阔眼界的机会。
经过努力，每个轮次的“太赫兹科研课堂”都获得了“校级示范性优秀科研课堂”的称号。但是，我仍然觉得有许多值得改进的地方。我还不能够真正回答当初问自己的几个问题：科研能不能从大一新生抓起？本科生能不能在高中知识的基础上，在大学一边进行基础理论学习，一边跟着导师开展科研？仅凭高中学习的物理知识（例如电子在电场作用下加速、在磁场作用下偏转，以及简单的几何光学等），能否点燃学生对科研的兴趣，并支撑他们在大学伊始就到实验室开始科研呢？
为了找到这些问题的答案，我不断地尝试、开展研究。写作本书也是尝试之一。经过了几个轮次的教学实践，我深切体会到：吸引本科生走上科研道路，首先要给他们准备一本兼具科普性和学术性的教材，让他们在上课之前，有资料可预习；进入实验室后，有教材可参考；离开实验室后，有资料可复习。本书特意设计了基础篇、仪器篇、案例篇、前沿篇4个部分。基础篇主要讲解太赫兹波的由来，以及太赫兹波的产生、探测、调控、传输等基础知识；仪器篇主要对太赫兹科研仪器的工作原理、操作要领、注意事项等进行系统而全面的讲解，可以让同学们更方便地掌握实验室中仪器的使用方法；案例篇介绍使用仪器篇所介绍的各种仪器开展的应用案例，包括我们课题组开展的一些比较具体的工作，让同学们可以了解到更多科研细节，从而加快学习进度，产生更多创意；前沿篇的学术性更强，可以让学有余力、想要学习更高难度知识的同学进行拓展学习，也可以供一些刚进入太赫兹领域的研究生参考。
非常感谢北京航空航天大学（简称北航）我所在课题组（吴晓君课题组）的全体师生的大力帮助，他们包括耿春艳、熊虹婷、李培炎、才家华、刘少杰、郝思博、孔德胤、代明聪、杨泽浩、任泽君、王家琦、赵蔚鹏、石晨雨、李江皓、张铭暄、黄滋宇等。由于笔者水平有限，书中难免存在不妥之处，殷切希望广大读者批评、指正。
吴晓君
2025年底
第一部分 基础篇你可能不知道电磁波，你也可能不知道太赫兹波，但你一定知道光！我们无时无刻不在与光打交道，在这个世界上，光代表无限的希望和温暖，带给了我们太多的美好。今天，让我们从光开始，一起揭开电磁波的神秘面纱。大家可能会想，光与电磁波有什么关系呢？其实，光就是电磁波，这里的光是狭义的可见光，而我们日常生活还会用到其他种类的电磁波，比如微波炉利用微波加热牛奶等。接下来让我们一起领略电磁波的魅力吧！
首先，让我们想象这样一个场景：你正在使用手机打电话，你的手机没有连接任何电线，到底是什么在传递信息呢？很多读者都已经猜到了，答案是：电磁波。但是，电磁波到底是怎么帮我们传递信息的呢？一般来讲，对于电磁波的研究离不开3个方面，分别是产生电磁波、探测电磁波、调控电磁波。
当这3个方面映射到现实生活，就是一个非常神奇的过程。以传统的广播为例，当播音员对着话筒说话的时候，首先，话筒的内部会产生随时间变化的电流。这些电流会激发广播天线上的电荷振动，实现电磁波的发射。然后，这些电磁波在空气中传播，被听众的收音机探测到，实现传递信息的过程。通过这样一个简单的例子，我们了解了电磁波从一端传递到另一端的过程。值得一提的是，电磁波在真空中的传播速度非常快，高达300 000km/s！这也是电磁波信息能够很快被接收到的主要原因。
电磁波无处不在。例如我们每天睁开眼睛就能看见的光是一种电磁波，加热牛奶用的微波炉用到了电磁波，在医院做CT检查所用的X射线也是一种电磁波。现在，我们已经初步认识了电磁波，原来我们无时无刻不在与它打交道。那么你可能会问：到底什么是电磁波？为什么电磁波能够在大气中传播？电磁波又是如何被人类发现的呢？别着急，让我们来一一寻找这些问题的答案。首先，什么是电磁波？顾名思义，电磁波就是电场与磁场相互作用形成的一种波。变化的电场产生变化的磁场，变化的磁场反过来产生变化的电场，二者就像好朋友，互相依赖，互相垂直，沿着共同的方向“前进”。
说到这里，想必大家一定很好奇，电磁波这么神秘又这么有用，它是如何被发现的呢？其实，电磁波的发现过程大致可以分为以下4个阶段：静电学阶段、电磁学阶段、麦克斯韦方程的发现，以及麦克斯韦方程的验证。
图1.1呈现了静电学的基础知识。在18世纪初期，科学家开始研究静电学，即带电物体之间的相互作用。在当时，人们认为电由某种物质流动产生，类似液体或气体流动。在静电学阶段，人们还没有发现电与磁之间的联系，但有一个我们很熟悉的结论，就是物体带有正电荷和负电荷。当两个带电物体接触时，电荷便会互相转移，使两个物体带相同的电荷。当带电物体相互接近或远离时，就会产生静电力，这是因为同种电荷相互排斥，异种电荷相互吸引。这个力与物体之间的距离、电荷量以及电荷极性有关。在这里还需要提到一个名词，叫作静电场。静电场是指空间中带电物体所产生的电场。电场是一种物理场，空间中存在电荷，就会有电场。我们平时用的静电吸尘器，就是静电学知识应用的典型代表。
图1.1 静电学的基础知识
电磁学直到19世纪初才逐步发展起来，电磁频谱如图1.2所示。虽然名为电磁学，但电磁学刚开始发展时是独立于电学的。在电磁学阶段，研究的是电荷和电流所产生的电场和磁场，以及它们的相互作用。既然电场和磁场能相互作用，那么到底是谁发现电能产生磁的呢？这个问题要从1820年的奥斯特实验说起。奥斯特观察到通电导线扰动磁针的现象，从而发现了电流的磁效应。这在当时引起了很大轰动。这实际上就是后来电磁学中的“安培环路定理”的基础。但遗憾的是，奥斯特并没有认识到这其实是电生磁。在同一年，安培发现了电生磁的现象。他首先将电流通过一个闭合的线圈，发现放置在线圈周围的磁针发生偏转，然后进行了一系列实验，研究出了电流大小、电流方向、线圈转数、磁力大小等关键参数之间的联系，最终证实了电能够产生磁。因此，安培被认为是真正发现电生磁的人，为电磁学的开创做出了重要的贡献。
图1.2 电磁频谱
既然电能产生磁，反过来，磁能产生电吗？对于这个问题，英国物理学家法拉第经过了数十年的尝试，经历了成百上千次失败后，在一次偶然的实验中，终于发现了磁也能产生电，然后对这个问题给出了肯定的答案。这就是著名的法拉第电磁感应现象。
综上所述，我们知道电能产生磁，磁也能产生电，那么电与磁交织在一起，又会产生什么呢？英国物理学家麦克斯韦认为，电与磁交织在一起可能会产生一种波，他将其命名为电磁波。他还在理论上证明了这种神秘的波会以光的速度传播。也就在这个时期，经过多位物理学家的努力，麦克斯韦方程组诞生了，电磁学的规律已经升华为数学方程的表达。麦克斯韦方程组的第一个方程说明，总电场具有有源性。第二个方程说明，变化的磁场周围存在有旋电场。第三个方程说明，不存在孤立的磁极，总磁场是有旋的。第四个方程说明，位移电流和传导电流一样也是磁场的涡旋源。不得不说，麦克斯韦方程组是迄今为止最伟大的发现之一。它不仅告诉我们电磁波是怎么产生的，而且我们还能通过它推导出波动方程，了解电磁波是怎么传播的。
那么电磁波到底在哪里呢？德国物理学家赫兹通过两个金属球中间的放电实验产生并探测到了电磁波，证实了电磁波的存在，这轰动了全世界。
现在，电磁波已经被广泛应用于航空航天、通信雷达、生物医疗等各行各业，服务于人类，传递着人类文明之火，照耀着人类世界。
想必大家对电磁波的由来已经有了一个初步的认识，那么本书所提到的太赫兹波与电磁波又有着怎样特殊的关系呢？其实太赫兹波也是一种电磁波，它和其他电磁波，比如可见光波、微波和X射线等，有很多相似的地方。它们都满足麦克斯韦方程，并且在真空中的传播速度也等于光速。但是，部分读者对太赫兹波并不熟悉，这是因为太赫兹波是电磁频谱上最后一个还未被人类完全开发和利用的频段。
要想真正地了解太赫兹波的由来，我们还得从红外探测说起。1800年，德国物理学家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，温度计也有读数变化。他猜测，这里一定还存在其他看不见的光子。但是，受限于当时人类对电磁波的认知水平，他将这部分看不见的光子归属为红外辐射。
在Herschel实验之后的20年里，除了确定红外辐射遵循简单的光学定律，几乎没有任何实验和理论进展。直到1821年，Seebeck开始研究导电材料的结点行为，发现了泽贝克效应，即两种金属接触后产生温差电动势，在红外光的照射下，产生电压信号。泽贝克效应间接地引发了学术界关于热的本质的激烈讨论。到了1829年，Nobili在泽贝克效应的基础上，将几个热电偶连起来，制作了第一个热电堆探测器。1833年，Melloni在Nobili的热电堆探测器的基础上，研制出了探测距离为10m的热电堆探测器。1880年，Langley将两个铂带连接起来，形成惠斯通电桥的两个臂，研制出了铂带测辐射热计，使得探测太赫兹波成为可能。
太赫兹波的发现过程如图1.3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并探测到电磁波。1895年，Lebedev探测到波长为6mm的电磁波。1896年，Lampa报告了波长为4mm的电磁波。1897年，Rubens等人研制产生了波长超过50μm的电磁波。他们成为世界上探测到太赫兹波的首批科学家。1974年，“Terahertz”这个单词才在Fleming的论文中首次出现。从此之后，神秘的太赫兹波拥有了自己的名字。
图1.3 太赫兹波的发现过程
从18世纪到现在，太赫兹波始终在国内外科学家的研究中扮演着重要的角色。为什么科学家们要那么努力地研究、探测和调控太赫兹波呢？这还得从它的特点和应用说起。
太赫兹波位于微波和红外波段之间，频率范围为0.1～10THz，波长为0.03～3mm。它具有高频率、超宽带、超高速、高穿透性、低光子能量、高保密性等许多优点，在6G、物质鉴别、智能感知、高速传输、安检成像、量子计算、生物医疗、保密通信等很多方面都有重要的应用价值，如图1.4所示。例如，许多物质在太赫兹频段具有指纹光谱，可以用太赫兹波来鉴别毒品、炸药、药物等。利用太赫兹技术可以穿透纸张的性质，可以检测航空邮件中隐藏的物质，不需要打开包装，实现了检测的便捷性、时效性和无损特性。在工业上，太赫兹技术也有大显身手的地方。例如太赫兹光谱技术可以用于对汽车油漆进行无接触的涂层厚度检测，而不会对汽车的表面造成任何损害，对汽车工业中的质量监控具有重要意义。太赫兹波的带宽大约是长波、中波、短波、微波总带宽（30GHz）的1000倍，是6G、星地通信、无线数据链等更高载波频段的最佳候选技术之一。太赫兹技术是未来通信感知一体化应用的基石技术，是世界科技大国竞争的关键。此外，基于太赫兹波的光谱和成像技术[1-4]，在量子物态调控[5-8]、小型化电子加速器[9-12]、生物医学效应[13]等方面也具有重要的应用前景。太赫兹技术是连接宏观宇宙和微观世界的桥梁，是改变未来世界的十大技术之一，有望在物理、化学、材料、生物、国防、天文等领域开辟一系列的颠覆性交叉前沿研究方向。
图1.4 太赫兹波的特点及应用
本章首先介绍了电生磁、磁生电，以及电磁波的历史沿革，然后介绍了人类历史上首批探测到太赫兹波的科学家、“Terahertz”一词的首次出现，以及太赫兹波的特点及应用的无限可能。
我们要想真正用好太赫兹波，还得高效率地产生太赫兹波，高灵敏地探测太赫兹波，以及更灵活地调控太赫兹波。后面我们将讲述怎么产生太赫兹波、用什么方法探测太赫兹波以及如何调控和利用太赫兹波。
1.（单选题）太赫兹波位于电磁频谱的（ ）。
A．无线电波与微波之间
B．微波与毫米波之间
C．毫米波与红外光之间
D．红外光与可见光之间
2.（单选题）通过实验证实电磁波存在的人是（ ）。
A．赫兹
B．安培
C．法拉第
D．奥斯特
3.（问答题）请简述麦克斯韦方程组的四个方程的基本含义。
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