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技術(shù)文章

太赫茲簡(jiǎn)介
太赫茲簡(jiǎn)介




簡(jiǎn)介
　　THz波（太赫茲波）或稱(chēng)為T(mén)Hz射線(xiàn)（太赫茲射線(xiàn)）是從上個(gè)世紀(jì)80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科學(xué)家們將統(tǒng)稱(chēng)為遠(yuǎn)紅外射線(xiàn)。太赫茲波是指頻率在0.1THz到10THz范圍的電磁波，波長(zhǎng)大概在0.03到3mm范圍，介于微波與紅外之間。實(shí)際上，早在一百年前，就有科學(xué)工作者涉及過(guò)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(dá)9um（0.009mm）和20um（0.02mm），之后又有到達(dá)50um的記載。之后的近百年時(shí)間，遠(yuǎn)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(cè)器的限制，因此這一波段也被稱(chēng)為T(mén)Hz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(zhǔn)常規(guī)技術(shù)，THz技術(shù)得以迅速發(fā)展，并在實(shí)際范圍內(nèi)掀起一股THz研究熱潮。
 


評(píng)價(jià)

　　2004年，美國(guó)政府將THz科技評(píng)為“改變未來(lái)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(guó)家支柱十大重點(diǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)”之首，舉國(guó)內(nèi)之力進(jìn)行研發(fā)。我國(guó)政府在2005年11月專(zhuān)門(mén)召開(kāi)了“香山科技會(huì)議”，邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)多位在THz研究領(lǐng)域有影響的院士專(zhuān)門(mén)討論我國(guó)THz事業(yè)的發(fā)展方向，并制定了我國(guó)THz技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃。另外，美國(guó)、歐洲、亞洲、澳大利亞等許多國(guó)家和地區(qū)政府、機(jī)構(gòu)、企業(yè)、大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)紛紛投入到THz的研發(fā)熱潮之中。THz研究領(lǐng)域的開(kāi)拓者之一，美國(guó)有名學(xué)者張希成博士稱(chēng)：“Next ray，T-Ray ！”。目前已經(jīng)有多家研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展太赫茲領(lǐng)域的相關(guān)研究，其中美國(guó)Picometrix公司是入手較早，投入較大的一家，并且在毒品和**太赫茲光譜、成像和識(shí)別方面，利用太赫茲對(duì)非極性航天材料內(nèi)部缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)方面做出了許多開(kāi)拓性的工作，同時(shí)由于太赫茲射線(xiàn)在**檢查方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，首都師范大學(xué)太赫茲實(shí)驗(yàn)室正集中力量研發(fā)能夠用于實(shí)景測(cè)試的安檢原型設(shè)備。
 


THz射線(xiàn)的特點(diǎn)

　　人們關(guān)注THz技術(shù)的原因是THz射線(xiàn)普遍存在，是人們認(rèn)識(shí)自然界的有效線(xiàn)索和工具。但是相對(duì)于其他波段的電磁波比如紅外和微波，對(duì)它的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用非常匱乏。其次，THz射線(xiàn)有它自身的特點(diǎn)。


1

　　是THz 脈沖的典型脈寬在皮秒量級(jí)，不但可以方便地進(jìn)行時(shí)間分辯的研究，而且通過(guò)取樣測(cè)量技術(shù)，能夠有效地抑制遠(yuǎn)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(xiàn)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(cè)技術(shù)獲得的是THz 脈沖的實(shí)時(shí)功率而不是平均功率，因此有很高的信噪比。目前，在時(shí)域光譜系統(tǒng)中的信噪比可達(dá)105或更高。


2

　　是THz 脈沖源通常只包含若干個(gè)周期的電磁振蕩，單個(gè)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(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，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(dòng)能級(jí)落在THz 波段范圍。因此THz 時(shí)域光譜技術(shù)作為探測(cè)材料在THz 波段信息的一種有效的手段，非常適合于測(cè)量材料吸收光譜，可用于進(jìn)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(cè)物質(zhì)。


4

　　許多的非金屬非極性材料對(duì)THz 射線(xiàn)的吸收較小，因此結(jié)合相應(yīng)的技術(shù)，使得探測(cè)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(duì)THz 電磁輻射是透明的，因此THz 技術(shù)可以作為x射線(xiàn)的非電離和相干的互補(bǔ)輻射源，用于機(jī)場(chǎng)、車(chē)站等地方的**監(jiān)測(cè)，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(cè)等。極性物質(zhì)對(duì)THz 電磁輻射的吸收比較強(qiáng)，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(guò)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(dòng)物組織中脂肪和肌肉的分布，診斷人體**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(cè)圖像的分辨率和景深都有明顯的增加（超聲、紅外、X－射線(xiàn)技術(shù)也能提高圖像分辨率，但是毫米波技術(shù)卻沒(méi)有明顯的提高）。另外太赫茲技術(shù)還有許多獨(dú)特的特性，如在非均勻的物質(zhì)中有較少的散射，能夠探測(cè)和測(cè)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(duì)樣品組成的細(xì)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(cè)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(jìn)行快速準(zhǔn)確的測(cè)量。鑒于THz射線(xiàn)的特點(diǎn)，必將給通信、雷達(dá)、天文、醫(yī)學(xué)成像、生物化學(xué)物品鑒定、材料學(xué)、**檢查等領(lǐng)域帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響，進(jìn)而改變?nèi)???的生產(chǎn)生活。
 


THz應(yīng)用

　　太赫茲的獨(dú)特性能給通信（寬帶通信）、雷達(dá)、電子對(duì)抗、電磁武器、天文學(xué)、醫(yī)學(xué)成像（無(wú)標(biāo)記的基因檢查、細(xì)胞水平的成像）、無(wú)損檢測(cè)、**檢查（生化物的檢查）等領(lǐng)域帶來(lái)了深遠(yuǎn)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(jí)）所以具有很高的時(shí)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(gè)主要關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)，由于太赫茲能量很小，不會(huì)對(duì)物質(zhì)產(chǎn)生破壞作用，所以與X射線(xiàn)相比更具有優(yōu)勢(shì)。另外，由于生物大分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)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(kāi)發(fā)研究當(dāng)中，其廣袤的科學(xué)前景為世界所公認(rèn)。


THz時(shí)域光譜技術(shù)

　　目前已經(jīng)開(kāi)始商業(yè)化運(yùn)作，世界范圍內(nèi)已經(jīng)有多家企業(yè)開(kāi)始生產(chǎn)商用THz時(shí)域光譜儀，主要是美國(guó)，歐洲和日本的廠家。THz時(shí)域光譜技術(shù)的基本原理是利用飛秒脈沖產(chǎn)生并探測(cè)時(shí)間分辨的THz電場(chǎng)，通過(guò)傅立葉變換獲得被測(cè)物品的光譜信息，由于大分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)大多在THz波段，而大分子，特別是生物和化學(xué)大分子是具有本身物性的物質(zhì)集團(tuán)，進(jìn)而可以通過(guò)特征頻率對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物性進(jìn)行分析和鑒定。一個(gè)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(xiàn)上安裝一臺(tái)THz時(shí)域光譜儀，從藥廠出廠的每一片藥都進(jìn)行光譜測(cè)量，并與標(biāo)準(zhǔn)的**進(jìn)行光譜對(duì)比，合格的將進(jìn)入下一個(gè)環(huán)節(jié)，否則在流水線(xiàn)上將劣質(zhì)藥片**掉，避免不同藥片或不同批次藥片的品質(zhì)差異，保證藥品的品質(zhì)。


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(xiàn)照射被測(cè)物，通過(guò)物品的透射或反射獲得樣品的信息，進(jìn)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(shí)域光譜技術(shù)的特點(diǎn)。同時(shí)它可以對(duì)物質(zhì)集團(tuán)進(jìn)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(shí)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*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(kāi)，同時(shí)不必照射x射線(xiàn)，對(duì)人體沒(méi)有附加傷害。


**檢查

　　利用**檢查應(yīng)該說(shuō)是現(xiàn)階段*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*受人關(guān)注的**、緝毒等*讓人關(guān)注的問(wèn)題，所以單列出來(lái)。目前英國(guó)發(fā)展的THz安檢設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入試用階段。由于THz射線(xiàn)的穿透性和對(duì)金屬材料的強(qiáng)反射特性，并且THz的高頻率使得成像的分辨率更高，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(shí)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**或毒品。首都師范大學(xué)THz實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)建立了常見(jiàn)的**和毒品的數(shù)據(jù)譜庫(kù)，可以設(shè)想再過(guò)幾年，可以真正在機(jī)場(chǎng)見(jiàn)到真正的THz安檢的設(shè)備。另外，世界范圍內(nèi)引起社會(huì)動(dòng)蕩的**式炸彈恐怖襲擊，也可以利用THz安檢設(shè)備進(jìn)行防范。因?yàn)檎緧彽目梢圆辉偈鞘勘虮０踩藛T，而是THz安檢儀，人們不需要靠近可疑分子就可以對(duì)其進(jìn)行檢查。


THz雷達(dá)

　　實(shí)際上也是成像的一種。鑒于大氣中水分對(duì)THz射線(xiàn)的強(qiáng)吸收作用，所以近距離雷達(dá)是THz射線(xiàn)的優(yōu)勢(shì)所在。一個(gè)非常讓人向往的應(yīng)用是穿墻雷達(dá)和探雷雷達(dá)，當(dāng)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(duì)THz透過(guò)，而人體包含大量水分，不透過(guò)THz，因此可以透過(guò)墻壁偵查到屋內(nèi)的人員的分布和活動(dòng)，將**怖反綁架起到深遠(yuǎn)的影響，同理也可以用于廢墟下人體的尋找。而探雷雷達(dá)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(guò)THz射線(xiàn)，而地雷將會(huì)把THz射線(xiàn)反射回來(lái)，從而可以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。


天文學(xué)

　　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(jìn)行探測(cè)。而這些物質(zhì)在應(yīng)用THz技術(shù)以前一部分根本無(wú)法探測(cè)而另一部分只能在海拔很高或者月球表面才可以探測(cè)到。


通信技術(shù)

　　THz用于通信可以獲得10GB/s的無(wú)線(xiàn)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(dāng)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(jìn)行高保密衛(wèi)星通信。雖然由于缺乏高效的THz發(fā)射天線(xiàn)和源，使其還無(wú)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 。
 


其他

　　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(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)。
 
　　目前，籠統(tǒng)的說(shuō)THz技術(shù)的研究主要圍繞三大部分內(nèi)容展開(kāi)，THz產(chǎn)生源、THz探測(cè)和應(yīng)用研究。目前*大的困難還是沒(méi)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(méi)有能夠常溫下直接探測(cè)太赫茲射線(xiàn)的被動(dòng)式探測(cè)器。