太赫茲簡介及特點和應(yīng)用 - 全文

THz波（太赫茲波）或成為THz射線（太赫茲射線）是從上個世紀80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科學家們將統(tǒng)稱為遠紅外射線。太赫茲波是指頻率在0.1THz到10THz范圍的電磁波，波長大概在0.03到3mm范圍，介于微波與紅外之間。實際上，早在一百年前，就有科學工作者涉及過這一波段。在1896年和1897年，Rubens和Nichols就涉及到這一波段，紅外光譜到達9um（0.009mm）和20um（0.02mm），之后又有到達50um的記載。之后的近百年時間，遠紅外技術(shù)取得了許多成果，并且已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化。但是涉及太赫茲波段的研究結(jié)果和數(shù)據(jù)非常少，主要是受到有效太赫茲產(chǎn)生源和靈敏探測器的限制，因此這一波段也被稱為THz間隙。

隨著80年代一系列新技術(shù)、新材料的發(fā)展，特別是超快技術(shù)的發(fā)展，使得獲得寬帶穩(wěn)定的脈沖THz源成為一種準常規(guī)技術(shù)，THz技術(shù)得以迅速發(fā)展，并在實際范圍內(nèi)掀起一股THz研究熱潮。2004年，美國政府將THz科技評為“改變未來世界的十大技術(shù)”之四，而日本于2005年1月8日更是將THz技術(shù)列為“國家支柱十大重點戰(zhàn)略目標”之首，舉全國之力進行研發(fā)。我國政府在2005年11月專門召開了“香山科技會議”，邀請國內(nèi)多位在THz研究領(lǐng)域有影響的院士專門討論我國THz事業(yè)的發(fā)展方向，并制定了我國THz技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃。另外，美國、歐洲、亞洲、澳大利亞等許多國家和地區(qū)政府、機構(gòu)、企業(yè)、大學和研究機構(gòu)紛紛投入到THz的研發(fā)熱潮之中。THz研究領(lǐng)域的開拓者之一，美國著名學者張希成博士稱：“Next ray，T-Ray ！”。

目前國內(nèi)已經(jīng)有多家研究機構(gòu)開展太赫茲領(lǐng)域的相關(guān)研究，其中首都師范大學，是入手較早，投入較大的一家，并且在毒品和炸藥太赫茲光譜、成像和識別方面，利用太赫茲對非極性航天材料內(nèi)部缺陷進行無損檢測方面做出了許多開拓性的工作，同時由于太赫茲射線在安全檢查方面的獨特優(yōu)勢，首都師范大學太赫茲實驗室正集中力量研發(fā)能夠用于實景測試的安檢原型設(shè)備。

目前，國際上對太赫茲輻射已達成如下共識，即太赫茲是一種新的、有很多獨特優(yōu)點的輻射源；太赫茲技術(shù)是一個非常重要的交叉前沿領(lǐng)域，給技術(shù)創(chuàng)新、國民經(jīng)濟發(fā)展和國家安全提供了一個非常誘人的機遇。它之所以能夠引起人們廣泛的關(guān)注、有如此之多的應(yīng)用，首先是因為物質(zhì)的太赫茲光譜（包括透射譜和反射譜）包含著非常豐富的物理和化學信息，所以研究物質(zhì)在該波段的光譜對于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索具有重要意義；其次是因為太赫茲脈沖光源與傳統(tǒng)光源相比具有很多獨特的性質(zhì)。

人們關(guān)注THz技術(shù)的原因是THz射線普遍存在，是人們認識自然界的有效線索和工具。但是相對于其他波段的電磁波比如紅外和微波，對它的認識和應(yīng)用非常匱乏。

THz射線的主要特點：

（1）是THz 脈沖的典型脈寬在皮秒量級，不但可以方便地進行時間分辯的研究，而且通過取樣測量技術(shù)，能夠有效地抑制遠紅外背景噪聲的干擾。目前，脈沖THz 輻射通常只有較低的THz 射線平均功率，但是由于THz 脈沖有很高的峰值功率，并且采用相干探測技術(shù)獲得的是THz 脈沖的實時功率而不是平均功率，因此有很高的信噪比。目前，在時域光譜系統(tǒng)中的信噪比可達105或更高。

（2）是THz 脈沖源通常只包含若干個周期的電磁振蕩，單個脈沖的頻帶可以覆蓋從GHz 直至幾十THz 的范圍，許多生物大分子的振動和轉(zhuǎn)動能級，電介質(zhì)、半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)材料、薄膜材料等的聲子振動能級落在THz 波段范圍。因此THz 時域光譜技術(shù)作為探測材料在THz 波段信息的一種有效的手段，非常適合于測量材料吸收光譜，可用于進行定性鑒別的工作。

（3) THz 光子的能量低，只有幾毫電子伏特，因此不容易破壞被檢測物質(zhì)。

（4) 許多的非金屬非極性材料對THz 射線的吸收較小，因此結(jié)合相應(yīng)的技術(shù)，使得探測材料內(nèi)部信息成為可能。例如，陶瓷，硬紙板，塑料制品，泡沫等對THz 電磁輻射是透明的，因此THz 技術(shù)可以作為x射線的非電離和相干的互補輻射源，用于機場、車站等地方的安全監(jiān)測，比如探查隱藏的走私物品包括槍械、爆炸物、和毒品等，以及用于集成電路焊接情況的檢測等。極性物質(zhì)對THz 電磁輻射的吸收比較強，特別是水，THz 光譜技術(shù)中應(yīng)采取各種措施避免水分的影響，不過在THz 成像技術(shù)中，可以利用這一特性分辨生物組織的不同狀態(tài)，比如動物組織中脂肪和肌肉的分布，診斷人體燒傷部位的損傷程度，及植物葉片組織的水分含量分布等。太赫茲成像技術(shù)與其他波段的成像技術(shù)相比，它所得到的探測圖像的分辨率和景深都有明顯的增加（超聲、紅外、X－射線技術(shù)也能提高圖像分辨率，但是毫米波技術(shù)卻沒有明顯的提高）。另外太赫茲技術(shù)還有許多獨特的特性，如在非均勻的物質(zhì)中有較少的散射，能夠探測和測量水汽含量等等。

太赫茲光譜技術(shù)不僅信噪比高，能夠迅速地對樣品組成的細微變化作出分析和鑒別，而且太赫茲光譜技術(shù)是一種非接觸測量技術(shù)，使它能夠?qū)Π雽?dǎo)體、電介質(zhì)薄膜及體材料的物理信息進行快速準確的測量。

THz主要應(yīng)用領(lǐng)域：

太赫茲的獨特性能給通信（寬帶通信）、雷達、電子對抗、電磁武器、天文學、醫(yī)學成像（無標記的基因檢查、細胞水平的成像）、無損檢測、安全檢查（生化物的檢查）等領(lǐng)域帶來了深遠的影響。由于太赫茲的頻率很高，所以其空間分辨率也很高；又由于它的脈沖很短（皮秒量級）所以具有很高的時間分辨率。太赫茲成像技術(shù)和太赫茲波譜技術(shù)由此構(gòu)成了太赫茲應(yīng)用的兩個主要關(guān)鍵技術(shù)。同時，由于太赫茲能量很小，不會對物質(zhì)產(chǎn)生破壞作用，所以與X射線相比更具有優(yōu)勢。另外，由于生物大分子的振動和轉(zhuǎn)動頻率的共振頻率均在太赫茲波段，因此太赫茲在糧食選種，優(yōu)良菌種的選擇等農(nóng)業(yè)和食品加工行業(yè)有著良好的應(yīng)用前景。太赫茲的應(yīng)用仍然在不斷的開發(fā)研究當中，其廣袤的科學前景為世界所公認。

（1）THz時域光譜技術(shù)。目前已經(jīng)開始商業(yè)化運作，世界范圍內(nèi)已經(jīng)有多家企業(yè)開始生產(chǎn)商用THz時域光譜儀，主要是美國，歐洲和日本的廠家。THz時域光譜技術(shù)的基本原理是利用飛秒脈沖產(chǎn)生并探測時間分辨的THz電場，通過傅立葉變換獲得被測物品的光譜信息，由于大分子的振動和轉(zhuǎn)動能級大多在THz波段，而大分子，特別是生物和化學大分子是具有本身物性的物質(zhì)集團，進而可以通過特征頻率對物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物性進行分析和鑒定。一個比較重要的應(yīng)用可以作為藥品質(zhì)量監(jiān)管。設(shè)想一下制藥廠的流水線上安裝一臺THz時域光譜儀，從藥廠出場的每一片藥都進行進行光譜測量，并與標準的藥物進行光譜對比，合格的將進入下一個環(huán)節(jié)，否則在流水線上將劣質(zhì)藥片清除掉，避免不同藥片或不同批次藥片的品質(zhì)差儀，保證藥品的品質(zhì)。

（2）THz成像技術(shù)。跟其他波段的成像技術(shù)一樣，THz成像技術(shù)也是利用THz射線照射被測物，通過物品的透射或反射獲得樣品的信息，進而成像。THz成像技術(shù)可以分為脈沖和連續(xù)兩種方式。前者具有THz時域光譜技術(shù)的特點。同時它可以對物質(zhì)集團進行功能成像，獲得物質(zhì)內(nèi)部的折射率分布。例如葵花籽可以和容易獲得葵花子的內(nèi)部信息。圖3-4 給出了葵花籽樣品的實物照片和相應(yīng)方法重構(gòu)的THz 透射圖像，能清晰地分辨果殼的輪廓和隱藏在果殼中果仁的形狀，這是最希望的。同樣，如果樣品是人的牙齒，那么牙齒的正常部分與損蛀部分將很容易的區(qū)分開，同時不必照射x射線，對人體沒有附加傷害。

（3）安全檢查，利用安全檢查應(yīng)該說是現(xiàn)階段最吸引人的THz技術(shù)，它的本質(zhì)原理是THz成像，目前由于目前主要采用連續(xù)波THz源，而且又由于它要解決的是目前最受人關(guān)注的反恐、緝毒等最讓人關(guān)注的問題，所以單列出來。目前英國發(fā)展的THz安檢設(shè)備已經(jīng)進入試用階段。由于THz射線的穿透性和對金屬材料的強反射特性，并且THz的高頻率是的成像的分辨率更高，所以可以很容易看到隱藏在衣物、鞋內(nèi)的刀具、槍械等物品。同時如果結(jié)合THz的物質(zhì)鑒別特性，能夠區(qū)分你身上是否攜帶炸藥或毒品。首都師范大學THz實驗室已經(jīng)建立了常見的炸藥和毒品的數(shù)據(jù)譜庫，可以設(shè)想再過幾年，可以真正在機場見到真正的THz安檢的設(shè)備。另外，世界范圍內(nèi)引起社會動蕩的自殺式炸彈恐怖襲擊，也可以利用THz安檢設(shè)備進行防范。因為站崗的可以不再是士兵或保安人員，而是THz安檢儀，人們不需要靠近可以分子就可以對其進行檢查。

（4）THz雷達。實際上也是成像的一種。鑒于大氣中水分對THz射線的強吸收作用，所以近距離雷達是THz射線的優(yōu)勢所在。一個非常讓人向往的應(yīng)用是穿墻雷達和探雷雷達，當然也可以用于抗震救災(zāi)中遇難者的搜救，目前還處于研發(fā)階段。這是由于墻壁，木材等材料對THz透過，而人體包含大量水分，不透過THz，因此可以透過墻壁偵查到屋內(nèi)的人員的分布和活動，將反恐怖反綁架起到深遠的影響，同理也可以用于廢墟下人體的尋找。而探雷雷達是由于地雷一般在地表或地表附近，而干燥的泥土可以透過THz射線，而地雷將會把THz射線反射回來，從而可以發(fā)現(xiàn)目標。

（5）天文學：在宇宙中，大量的物質(zhì)在發(fā)出THz電磁波。 炭（C）、水（H2O）、一氧化碳（CO）、氮（N2）、氧（O2）等大量的分子可以在THz頻段進行探測。而這些物質(zhì)在應(yīng)用THz技術(shù)以前一部分根本無法探測而另一部分只能在海拔很高或者月球表面才可以探測到。

（6）通信技術(shù)：THz用于通信可以獲得10GB/s的無線傳輸速度，特別是衛(wèi)星通信，由于在外太空，近似真空的狀態(tài)下，不用考慮水分的影響，這比當前的超寬帶技術(shù)快幾百至一千多倍。這就使得THz通信可以以極高的帶寬進行高保密衛(wèi)星通信。雖然由于缺乏高效的THz發(fā)射天線和源，使其還無法在通信領(lǐng)域商業(yè)化，但這必將由新型的發(fā)射裝置和發(fā)射源所解決 。

此外，太赫茲在半導(dǎo)體材料、高溫超導(dǎo)材料的性質(zhì)研究等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。研究該頻段不僅將推動理論研究工作的重大發(fā)展，而且對固態(tài)電子學和電路技術(shù)也將提出重大挑戰(zhàn)。

目前，籠統(tǒng)的說THz技術(shù)的研究主要圍繞三大部分內(nèi)容展開，THz產(chǎn)生源、THz探測和應(yīng)用研究。目前最大的困難還是沒有高功率便攜式連續(xù)可調(diào)的成本較低的THz發(fā)射源，另外也沒有能夠常溫下直接探測太赫茲射線的被動式探測器。