十九世纪是电学和光学的启蒙时代，英国物理学家J．c．马克斯威尔在1864年在前人的研究基础上，归纳和修正成四个描述电场和磁场特性的方程式，它们分别是：电荷产生电场的高斯定律，磁偶极子的实验验证，电流和电场变化产生磁场的安培一马克斯威尔定律，以及磁场变化产生电场的法拉第感应定律。为了纪念马克斯威尔的贡献，物理学界将它们称为马克斯威尔方程式。此外，马克斯威尔还在1865年提出电场和磁场的振动波在自由空间的传播速度近似光速，光波就是一种按照电磁原理以电磁干扰的形式通过电磁场传播的电磁波。马克斯威尔在1879年逝世后，马克斯威尔方程式在1884年由海维赛德(Heaviside)和吉布斯(Gibbs)用矢量微积分作了更加简化的表达，成为一组对称的数学表达式，直接影响到后来基础物理的发展。赫兹(Hertg)在1888年从实验证实马克斯威尔关于光波就是电磁波的推论。马克斯威尔方程式和对光波的定量描述是十九世纪物理学的重大成就，为人类广泛地认识电磁波和光波奠定雄厚的理论基础。
二十世纪科学家和工程师从长波、中波、短波、超短波、射频、微波频段推进，掌握了有关电磁波从低到高的应用，当前从直流至100GHz的发生、变换、检测方法比较成熟，对于100GHz以上的频段了解不多。另一方面，光波的应用，从可见光开始，低端向红外线扩展，达到远红外，高端向紫外线扩展，达到x射线甚至子射线。如果我们注意到高端微波0．1THz(100GHz)与最低远红外线30um(10THz)之间存在一个空白的太赫兹THz频段(或波段)，对该区段内无论电磁波或光波都鞭长莫及，知之甚少，被视为未开垦的THz频段或间隙。这种情况到了1995年开始突破，许多研发成果不断出现，某些应用显示THz(或称T射线)可为人类提供丰富的频率资源。THz频段(0．1THz～10THz)跨越无线电波的高端与光波的低端，充分证明马克思威尔理论的正确性，THz频段将在二十一世纪为人类开拓新的应用。
对THz电磁波的认识取得进展
在研发和推介THz电磁波方面，美籍华人张希成教授的贡献和成就卓著，他是开拓T射线研究领域的学术权威之一。1980年代初他从北京大学物理系毕业后，赴美国Brown(布朗)大学深造，曾在麻省理工学院担任客座科学家，哥伦比亚大学电机系研究员，现任美国Rensselaer(伦斯勒)理工学院电机、计算机和系统工程系教授，THz研究中心主任，同时又是美国物理学会、光学学会和IEEE学会的资深会员。张希成教授不遗余力推动国际合作和共享成果，使THz电磁波获得国际科学界的共识和重视。2004年美国技术评论(Technology Re—view)评选“改变未来世界十大技术”时，将T射线作为其中的紧迫技术之一。张希成还是中国科学院、首都师范大学、厦门大学的客座教授，为我国发展THz电磁波技术、技术合作、交换学者做了许多有益工作。张希成等美国学者提出“下一代射线，T射线!”的口号，同时认为二十一世纪是THz时代，在提高和普及两方面都产生很大影响。
事实上，十年前我们对THz波段的电磁辐射和光学特性的了解非常有限，由于无线通信的迅猛发展使10GHz以下频段全部被占用，需要向更高频段扩展，网络传输借助光纤和激光技术使10Gb／s实用化，60Gb／s以上正在开发中。无线通信和网络传输都面临频谱资源的拓展，探索更高频段的THz势在必行。从光学应用方面，科学家预期T射线含有丰富的可用信息，通过T射线的发射、反射和透射光谱的研究将在物体成像、医疗诊断、安全检测、生物科学、射电天文等尖端学科提供更广泛的应用前景。得益于近二十年激光技术、光电技术、数字电路、飞秒(fs,10-12s)测量等先进科技，十年不懈攻坚，终于打开THz波之门，对THz波有了初步的了解，THz电磁波将如其它电磁波和光波那样，给人类社会活动带来更深远的影响。
从电磁辐射和光波辐射角度来看，从低频至微波，红外线至紫外线都有电离辐射和非电离辐射。电离辐射是原子的外层电子所激发出来的辐射能量足够大，达到电子跃迁而电离出所属原子。x射线、丫射线和宇宙射线具有电离辐射特性，可用于人体医学检查和物理探伤，但剂量过大会引起人体损伤。非电离辐射是原子的外层电子的辐射能量不够大，达不到跃迁而只是改变轨道，没有离开所属的原子。从低频至微波都有非电离辐射，各个频段的电磁辐射各有所用，低于1GHz主要用在通信和测量，1GHz－10GHz用在移动通信、卫星通信、雷达、网络传输、微波炉，高于10GHz用在光纤通信、网络传输、航天／军事通信。电磁波的非电离辐射无处不在，它对人体皮肤有穿透作用，产生热效应，在规定的电平下辐射尚无明显的损坏人体器官实例。THz波处在微波高端至红外射线之间，仍属非电离辐射，故辐射量不强烈，容易被水和空气吸收，但相干性好，便于成像。
THz电磁波的产生和检测
任何黑体在10度K以上的温度都有THz电磁波发射，但非常微弱而无法应用。直至2000年代初，THz电磁波只能用同步辐射光源、返波振荡器、大功率固体激光器产生，但辐射量很微弱。
在THz电磁波产生方面，使用晶体管器件虽然能够产生100GHz(0．1THz)的振荡，但是功率和频率稳定性都不够。目前100GHz的信号是借助倍频电路来获得的，变容二极管或肖特基二极管作倍频应用时，超过100GHz的频谱衰减很快，很难进入THz波段。最有希望产生THz电磁波的是半导体晶体，某些特殊晶体可在fs电脉冲激励下获得短暂的THz光波发射。连续发射THz电磁波的器件至今尚未研制成功，冲息脉冲的THz光波的产生也是近几年才得到的成果。
最简单的可在实验室条件下获得的脉冲THz波振荡源，是低温砷化镓(LT-GaAs)、半绝缘砷化镓(SI-GaAs)、磷化铟等半导体，在半导体衬底两面淀积金属图形电极，通常是偶极子天线，电极两端施加40V的偏压。半导体衬底在钛一蓝宝石(Ti-Saph)激光源100fs脉冲的激励下，当能量超过半导体衬底的能带间隙时，在天线电极两端产生载流子电荷，再经偏压加速使电荷产生THz波段的光子。在间隙产生的光电感应电流具有极快速的上升时间，而LT—GaAs材料的载流子寿命很短，形成宽度约2ps的THz脉冲。随衬底所用的半导体材料和激光源的不同，这种办法能够获得ps至ns的THz脉冲电流，输出功率电平是nW级。由于输出功率很低而频率覆盖范围很广，背景噪声往往高于信号功率，因而，THz波信号的接收需要先进的高灵敏度检测系统。
在THz电磁波检测方面同样遇到挑战，晶体管放大器目前只达到40GHz以下，包括光电二极管在内的传感器，由于灵敏度不够和背景噪声太高，无法检测到100GHz以上的THz电磁波或光波。为了准确检测到微弱的THz波，需要获得它的幅值和相位，才能正确重建THz波。目前采用与THz波产生相似的办法，使用碲化锌(znTe)电／光非线性晶体作为接收元件，在ZnTe衬底上淀积天线和引线，但是不施加直流偏压，偏压由接收的THz电磁辐射产生，发射与接收天线对准时偏压最大，接收到的THz波在引线两端产生的电流由窄带放大器放大。ZnTe衬底的载流子具有极短寿命，适合接收脉冲THz波的信号。接收端与发射端相互锁相同步，锁相的窄带放大器具有很高增益，可以获得很好的信噪比，加上后续数字信号处理器的多次平均运算再增强信噪比，典型信噪比S／N可达到10,000倍以上。除ZnTe以外，还有GaAs等半导体光电材料可作为THz波的检测用晶体。
实验室使用的THz波发射和接收系统，由于激光脉冲宽度在100fs以下，通常采用信号相关自取样法获取信号样本，实现发射和接收的严格同步。具体办法是从发射激光光源经分光镜和扫描光学延迟线，作为检测晶体的自取样脉冲光束，达到收发双方的锁相同步，从而获得复原的THz波形。因为THz波发射接收系统的光学装置使用了分光机构和自取样电路，该THz实验系统亦称为THz时域(分光)光谱仪(THz-TDS)。根据被测对象和应用目标的不同，THz波的发射、接收和显示实现不同的组合，能够构成电磁光谱、计算机断层扫描(T射线CT)、衍射断层扫描等二维和三维图像显示，亦即光谱和成像两种主要应用。