太赫茲波段的特性及應(yīng)用

太赫茲光譜

太赫茲（THz）輻射通常定義為100GHz（3mm）至10THz（30μm）范圍內(nèi)的電磁頻譜區(qū)域，介于毫米和紅外頻率之間。太赫茲波段有幾個(gè)名稱，例如亞毫米波、遠(yuǎn)紅外和近毫米波。

電磁頻譜中的太赫茲波段如圖1所示。

圖1太赫茲波段在電磁波譜中的位置示意圖

與相鄰區(qū)域（即微波和光學(xué)波段）相比，這部分電磁頻譜是研究最少的區(qū)域。

這就是為什么使用術(shù)語“太赫茲間隙”來解釋該波段與發(fā)達(dá)的相鄰光譜區(qū)域相比的初期。這導(dǎo)致來自不同學(xué)科（如物理學(xué)、材料科學(xué)、電子學(xué)、光學(xué)和化學(xué)）的研究人員研究太赫茲波的各種未探索或探索較少的方面。

太赫茲波的性質(zhì)

盡管對(duì)太赫茲區(qū)域的興趣可以追溯到1920年代，但僅在過去的30年中，才對(duì)該區(qū)域進(jìn)行了廣泛的研究。這樣做的一個(gè)關(guān)鍵動(dòng)機(jī)是在太赫茲頻率范圍內(nèi)卓越的波特性和廣泛的可能應(yīng)用。

太赫茲波具有夾在它們之間的兩個(gè)波段的中間特征。

這些屬性可以總結(jié)如下：

穿透性：太赫茲輻射的波長比紅外波長長；因此，與紅外波（在微米范圍內(nèi)）相比，太赫茲波具有更少的散射和更好的穿透深度（在厘米范圍內(nèi)）。因此，干燥的非金屬材料在這個(gè)范圍內(nèi)是透明的，但在可見光譜中是不透明的。

分辨率：與微波相比，太赫茲波的波長更短；這提供了更好的空間成像分辨率。

安全性：太赫茲波段的光子能量遠(yuǎn)低于X射線。因此，太赫茲輻射是非電離的。

光譜指紋：許多分子的振動(dòng)間和振動(dòng)內(nèi)模式位于太赫茲范圍內(nèi)。

開發(fā)太赫茲頻段的挑戰(zhàn)

盡管太赫茲波段有幾個(gè)引人入勝的特征，但太赫茲技術(shù)也存在一些特定的挑戰(zhàn)。與相鄰波段相比，太赫茲領(lǐng)域發(fā)展不足的主要原因是缺乏高效、連貫和緊湊的太赫茲源和探測(cè)器。

源的這些特性可以在常見的微波頻率源（例如晶體管或RF/MW天線）以及在可見光和紅外范圍內(nèi)工作的設(shè)備（例如半導(dǎo)體激光二極管）中找到。然而，在不顯著降低功率和效率的情況下，采用這些技術(shù)在太赫茲區(qū)域運(yùn)行是不可能的。

在太赫茲頻率范圍的低端，一般采用固態(tài)電子器件；然而，由于電抗效應(yīng)和較長的傳輸時(shí)間，此類設(shè)備具有1/f2的滾降。另一方面，由于缺乏具有足夠小的帶隙能量的材料，二極管激光器等光學(xué)器件在太赫茲范圍限制下表現(xiàn)不佳。

太赫茲頻段的另一個(gè)挑戰(zhàn)是高損耗。太赫茲波在大氣情況和潮濕環(huán)境中具有很高的吸收性。圖2描繪了整個(gè)電磁頻譜的大氣衰減。

圖2.不同大氣情況下的海平面衰減：雨=4mm/h；霧=100m能見度；STD=7.5g/m3水蒸氣；2×STD=15g/m3水蒸氣。

很明顯，太赫茲范圍內(nèi)的信號(hào)衰減遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過微波和紅外波段。這部分是因?yàn)樗肿釉谶@個(gè)范圍內(nèi)共振。

太赫茲波的不利大氣特性使其成為以下兩種情況的合適工作頻率區(qū)域：

航空航天：在太空中，環(huán)境接近真空，因此水滴引起的信號(hào)吸收和衰減不是問題。此外，星際塵埃的光譜特征位于太赫茲區(qū)域。因此，太赫茲技術(shù)在射電天文學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用，例如歐洲航天局發(fā)射的赫歇爾空間天文臺(tái)。

短程：對(duì)于短程應(yīng)用，大氣衰減可以忽略不計(jì)，尤其是高吸收頻率。這使得這些窄線的影響的去除/識(shí)別更容易。因此，太赫茲技術(shù)對(duì)于物理和化學(xué)等各個(gè)學(xué)科的基礎(chǔ)研究來說是一個(gè)非常資源豐富的工具。此外，對(duì)于具有高數(shù)據(jù)速率的短距離無線通信來說，它也是一個(gè)有吸引力的選擇。

太赫茲輻射的應(yīng)用

太赫茲輻射可用于許多潛在應(yīng)用，包括太赫茲成像、光譜學(xué)和無線通信。

生物醫(yī)學(xué)成像是太赫茲成像的子類別之一。太赫茲波可以在人體組織中穿透數(shù)百微米；因此太赫茲醫(yī)學(xué)成像可應(yīng)用于皮膚、口腔、乳腺癌等體表診斷，以及牙科成像。此外，太赫茲系統(tǒng)在安全應(yīng)用、固體爆炸材料檢測(cè)和郵件篩選方面具有潛在市場(chǎng)。最后但同樣重要的是，太赫茲成像是一種方便的半導(dǎo)體封裝檢測(cè)方法。

太赫茲光譜是一種非常強(qiáng)大的技術(shù)，可用于表征材料特性并了解它們?cè)谠摬ǘ沃械奶卣鳌Ｌ掌澒庾V增強(qiáng)了對(duì)許多單晶、微晶和有機(jī)分子粉末樣品的吸收特征的理解。

圖3顯示了用于識(shí)別麥芽糖分子振動(dòng)模式的測(cè)量結(jié)果樣本。

圖3.在太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)中測(cè)得的麥芽糖振動(dòng)光譜，上圖顯示了沒有麥芽糖樣品時(shí)測(cè)得的太赫茲信號(hào)。下圖中的箭頭顯示麥芽糖分子的振動(dòng)頻率。插圖顯示了麥芽糖的分子結(jié)構(gòu)。

太赫茲光譜在生物化學(xué)科學(xué)中具有應(yīng)用，例如DNA特征和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的分析。生產(chǎn)過程的在線控制是太赫茲光譜的另一個(gè)潛在應(yīng)用，它可以提供非接觸式和實(shí)時(shí)測(cè)量。由于太赫茲頻率的高吸水率，太赫茲光譜可以被積極地操縱以區(qū)分水合物質(zhì)和干燥物質(zhì)。例如，在造紙工業(yè)中，太赫茲光譜已被制造商用于監(jiān)測(cè)紙張的厚度和水分含量。

在某些應(yīng)用中，例如無損檢測(cè)，同時(shí)采用太赫茲成像和光譜學(xué)。例如，在藝術(shù)史調(diào)查中，太赫茲成像和光譜有助于對(duì)文物進(jìn)行成像，以揭示藝術(shù)品不同層的厚度并顯示材料類型。

圖4顯示了Preghiera麥當(dāng)娜的可見照片（左）和基于0.5–1THz之間的綜合光譜的繪畫太赫茲圖像（右）。

圖4.（a）Preghiera圣母像的可見照片（b）Preghiera圣母像在0.5和1THz之間的綜合光譜上的太赫茲圖像。

太赫茲成像提供了有關(guān)繪畫底層的信息，具有數(shù)十微米量級(jí)的開創(chuàng)性細(xì)節(jié)。

此外，太赫茲成像和光譜是用于檢查藥物固體劑型、片劑包衣和活性藥物成分的兩種強(qiáng)大的定量和定性非侵入性方法。例如，圖5顯示了THz區(qū)域包衣過程中8片相同包衣時(shí)間的片劑包衣層厚度的片間變化。

圖5.每個(gè)片劑的平均包衣厚度與包衣時(shí)間的關(guān)系，插圖顯示了八片相同包衣時(shí)間為120分鐘的包衣厚度圖（μm）。明顯的片劑間包衣厚度差異很大。太赫茲波段的潛力

在20世紀(jì)末和21世紀(jì)的第一個(gè)十年，當(dāng)大量的太赫茲實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行時(shí)，研究人員主要集中在各種潛在的太赫茲應(yīng)用上，并取得了非常有希望的成果。事實(shí)上，這些引人入勝的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是許多研究人員深入研究太赫茲領(lǐng)域并從不同方面進(jìn)行探索的巨大動(dòng)力和動(dòng)力。

由于近年來太赫茲研究領(lǐng)域的不斷進(jìn)步，太赫茲系統(tǒng)和應(yīng)用正在一些商業(yè)應(yīng)用中找到自己的位置。然而，為了讓太赫茲波能夠在現(xiàn)實(shí)世界場(chǎng)景中競(jìng)爭和克服其他技術(shù)，必須解決和/或改進(jìn)各種問題。例如，需要高功率和緊湊的太赫茲源，太赫茲測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)該小型化，需要更快的太赫茲光束掃描方法，太赫茲系統(tǒng)應(yīng)該具有更低的成本。

另一個(gè)新興的研究領(lǐng)域是太赫茲無線通信。這是特別需要的，因?yàn)樗试S超過5G的高速無線通信。因此，需要各種研究來成熟并充分發(fā)揮太赫茲頻段的潛力。