太赫茲成像技術(shù)概念及原理解析_太赫茲波特征及應(yīng)用

一、太赫茲成像技術(shù)概念及原理解析

太赫茲技術(shù)簡介

太赫茲（Terahertz，1THz=1012Hz）泛指頻率在0.1～10THz波段內(nèi)的電磁波，位于紅外和微波之間，處于宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)的過渡階段。太赫茲輻射是0.1~10THz的電磁輻射，從頻率上看，在無線電波和光波，毫米波和紅外線之間；從能量上看，在電子和光子之間·在電磁頻譜上，太赫茲波段兩側(cè)的紅外和微波技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但是太赫茲技術(shù)基本上還是一個(gè)空白，其原因是在此頻段上，既不完全適合用光學(xué)理論來處理，也不完全適合微波的理論來研究。

太赫茲系統(tǒng)在半導(dǎo)體材料、高溫超導(dǎo)材料的性質(zhì)研究、斷層成像技術(shù)、無標(biāo)記的基因檢查、細(xì)胞水平的成像、化學(xué)和生物的檢查，以及寬帶通信、微波定向等許多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。研究該頻段的輻射源不僅將推動(dòng)理論研究工作的重大發(fā)展，而且對(duì)固態(tài)電子學(xué)和電路技術(shù)也將提出重大挑戰(zhàn)。

遠(yuǎn)距離穿墻術(shù)，鑄就反恐作戰(zhàn)新利器。

如果問一下駐伊美軍最怕的是什么，那答案肯定是路邊炸彈，防不勝防的路邊炸彈，成了駐伊美軍不寒而栗的“頭號(hào)殺手”，以至于讓美國海軍陸戰(zhàn)隊(duì)司令邁克爾·哈吉認(rèn)為：“這種相對(duì)低級(jí)的武器將成為未來戰(zhàn)爭的一個(gè)標(biāo)志?！痹诿儡姵冯x伊拉克之前路邊炸彈造成的傷亡一度不絕于耳。與此同時(shí)，不斷發(fā)生的細(xì)菌郵件、包裹炸彈和自殺式襲擊也令人神經(jīng)緊繃。似乎在傳統(tǒng)威脅面前，高新技術(shù)也無能為力，事實(shí)真是如此嗎？太赫茲的穿墻透視能力或許能夠扭轉(zhuǎn)這種被動(dòng)局面。

太赫茲的頻率很高、波長很短，具有很高的時(shí)域頻譜信噪比，且在濃煙、沙塵環(huán)境中傳輸損耗很少，可以穿透墻體對(duì)房屋內(nèi)部進(jìn)行掃描，是復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下尋敵成像的理想技術(shù)。未來城市及反恐作戰(zhàn)中，借助太赫茲特有的“穿墻術(shù)”，可以對(duì)“墻后”物體進(jìn)行三維立體成像，探測隱蔽的武器、偽裝埋伏的武裝人員和顯示沙塵或煙霧中的坦克、火炮等裝備，進(jìn)而撥開戰(zhàn)場迷霧。

另外，太赫茲成像技術(shù)在塑料兇器、陶瓷手槍、塑膠炸彈、流體炸藥和人體炸彈的檢測和識(shí)別上，更是“明察秋毫”，利用強(qiáng)太赫茲輻射照射路面，還可以遠(yuǎn)距離探測地下的雷場分布。如此，士兵們不需要再靠近可疑地段或人員便可以對(duì)其進(jìn)行檢查。與耗資較高、作用距離較短、無法識(shí)別具體爆炸物的X射線掃描儀相比，太赫茲成像具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)初步應(yīng)用于檢查郵件、識(shí)別炸藥及無損探傷等安全領(lǐng)域。

二、太赫茲波特征及應(yīng)用

1、太赫茲波特征

太赫茲技術(shù)之所以成為科學(xué)前沿關(guān)注的對(duì)象，是因?yàn)樘掌澨幱陔姶挪ǘ沃械奶厥馕恢?，與其它波段的電磁波相比具有許多獨(dú)特的性能。

1.1、與短波長的電磁波相比：

（1）THz波的典型脈寬在亞皮秒量級(jí)，可以進(jìn)行亞皮秒、飛秒時(shí)間分辨的瞬態(tài)光譜研究，通過取樣測量技術(shù)，能夠防止背景輻射噪音的干擾。目前太赫茲輻射強(qiáng)度能夠得到的探測效果，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傅立葉變換紅外光譜的探測技術(shù)，并且太赫茲技術(shù)穩(wěn)定性也很高。

（2）太赫茲波源通常包含若干個(gè)周期的電磁振蕩，頻帶覆蓋范圍很寬。單個(gè)脈沖的頻帶可以達(dá)到GHz到幾十THz的范圍，可以在大范圍內(nèi)分析研究物質(zhì)的光譜特性。

（3）太赫茲輻射的產(chǎn)生機(jī)制決定了THz波具有很高的時(shí)間和空間相干性。而運(yùn)用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)可以直接測量出太赫茲電場的振幅和相位，更為方便地提取測量樣品的相關(guān)物理信息。

（4）太赫茲波段中正好對(duì)應(yīng)許多特定材料的能隙，他們的太赫茲光譜會(huì)存在明顯的特征吸收。比如許多有機(jī)大分子、違禁易爆品等對(duì)THz波呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收和色散特性；利用THz波特有的光譜特征可做指紋識(shí)別。所以生物探測、危險(xiǎn)爆炸物品檢測將成為太赫茲技術(shù)重要發(fā)展前景之一。

（5）THz波的光子能量很低，約為x射線光子能量的1/10，更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于各種化學(xué)健的鍵能，因此它對(duì)活體生物組織不會(huì)造成電離損傷?？梢詰?yīng)用THz技術(shù)研究酶的特性、進(jìn)行DNA鑒別等。另外由于水分子、氨分子等大多數(shù)極性分子對(duì)太赫茲波有非常強(qiáng)烈的吸收，所以太赫茲波不能穿透人體的皮膚，因此即使很強(qiáng)烈的太赫茲輻射，它對(duì)人體的影響也僅僅停留在皮膚表層，而不像微波那樣直接穿透到人體的內(nèi)部。這一點(diǎn)可以應(yīng)用在對(duì)旅客身體以及生物樣品的探測檢查，可做為X射線成像檢測手段的有益補(bǔ)充。

（6）THz輻射對(duì)于很多非極性物質(zhì)，如電介質(zhì)材料及塑料、陶瓷、紙箱、布料、硅片、干木材等材料有很強(qiáng)的穿透能力，可用來對(duì)已經(jīng)包裝的物品進(jìn)行質(zhì)檢或者用于今后的安全檢查。THz波的這些特殊性使發(fā)展THz技術(shù)具有了重要的意義。

1.2、與長波長的電磁波相比：

（1）與微波相比，THz波的頻率則更高，相同條件下通信傳輸?shù)娜萘靠梢愿螅虼嗽谧鳛橥ㄐ泡d體時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)THz波可以承載更多的信息量，同時(shí)由于太赫茲波的波長更短，實(shí)施同樣的傳輸功能的情況下，可以把天線的尺寸做得更小，那么相應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)備也可以做得更簡單、更經(jīng)濟(jì)，從而節(jié)省成本。

（2）由于THz波波長更短、波束更窄，它的方向性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于微波，成像應(yīng)用中則具有更高的空間分辨率，或者在保持同等空間分辨率時(shí)能夠具有更長的景深。這一點(diǎn)可以用來探測更小的目標(biāo)，在天文及軍事領(lǐng)域可用于更精確地定位。

（3）與微波相比，THz波具有更好的保密性和抗干擾能力。綜上這些優(yōu)勢(shì)，THz在中短距離、高容量、無線通信技術(shù)中具有很強(qiáng)應(yīng)用潛力。

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