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THz波(太赫茲波)或成為THz射線(太赫茲射線)是從上個世紀80年代中後期,才被正式命名的,在此以前科學家們將統稱為遠紅外射線。太赫茲波是指頻率在0.1THz到10THz範圍的電磁波,波長大概在0.03到3mm範圍,介於微波與紅外之間。

1 太赫茲波 -簡介

  THz波(太赫茲波)或稱為THz射線(太赫茲射線)是從上個世紀80年代中後期,才被正式命名的,在此以前科學家們將統稱為遠紅外射線。太赫茲波是指頻率在0.1THz到10THz範圍的電磁波,波長大概在0.03到3mm範圍,介於微波與紅外之間。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),之後又有到達50um的記載。之後的近百年時間,遠紅外技術取得了許多成果,並且已經產業化。但是涉及太赫茲波段的研究結果和數據非常少,主要是受到有效太赫茲產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、新材料的發展,特別是超快技術的發展,使得獲得寬頻穩定的脈衝THz源成為一種准常規技術,THz技術得以迅速發展,並在實際範圍內掀起一股THz研究熱潮。

2 太赫茲波 -各國的關注和研發

  2004年,美國政府將THz科技評為「改變未來世界的十大技術」之四,而日本於2005年1月8日更是將THz技術列為「國家支柱十大重點戰略目標」之首,舉全國之力進行研發。中國政府在2005年11月專門召開了「香山科技會議」,邀請國內多位在THz研究領域有影響的院士專門討論中國THz事業的發展方向,並制定了中國THz技術的發展規劃。另外,美國、歐洲、亞洲、澳大利亞等許多國家和地區政府、機構、企業、大學和研究機構紛紛投入到THz的研發熱潮之中。THz研究領域的開拓者之一,美國著名學者張希成博士稱:「Next ray,T-Ray !」。目前國內已經有多家研究機構開展太赫茲領域的相關研究,其中首都師範大學,是入手較早,投入較大的一家,並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,同時由於太赫茲射線在安全檢查方面的獨特優勢,首都師範大學太赫茲實驗室正集中力量研發能夠用於實景測試的安檢原型設備。

3 太赫茲波 -THz射線的特點

  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、有很多獨特優點的輻射源;太赫茲技術是一個非常重要的交叉前沿領域,給技術創新、國民經濟發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注、有如此之多的應用,首先是因為物質的太赫茲光譜(包括透射譜和反射譜)包含著非常豐富的物理和化學信息,所以研究物質在該波段的光譜對於物質結構的探索具有重要意義;其次是因為太赫茲脈衝光源與傳統光源相比具有很多獨特的性質。 人們關注THz技術的原因是THz射線普遍存在,是人們認識自然界的有效線索和工具。但是相對於其他波段的電磁波比如紅外和微波,對它的認識和應用非常匱乏。 THz射線自身的特點1

  是THz 脈衝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,能夠有效地抑制遠紅外背景雜訊的干擾。目前,脈衝THz 輻射通常只有較低的THz 射線平均功率,但是由於THz 脈衝有很高的峰值功率,並且採用相干探測技術獲得的是THz 脈衝的實時功率而不是平均功率,因此有很高的信噪比。目前,在時域光譜系統中的信噪比可達105或更高。 THz射線自身的特點2

  是THz 脈衝源通常只包含若干個周期的電磁振蕩,單個脈衝的頻帶可以覆蓋從GHz 直至幾十THz 的範圍,許多生物大分子的振動和轉動能級,電介質、半導體材料、超導材料、薄膜材料等的聲子振動能級落在THz 波段範圍。因此THz 時域光譜技術作為探測材料在THz 波段信息的一種有效的手段,非常適合於測量材料吸收光譜,可用於進行定性鑒別的工作。 THz射線自身的特點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。 THz射線自身的特點4

  許多的非金屬非極性材料對THz 射線的吸收較小,因此結合相應的技術,使得探測材料內部信息成為可能。例如,陶瓷,硬紙板,塑料製品,泡沫等對THz 電磁輻射是透明的,因此THz 技術可以作為x射線的非電離和相干的互補輻射源,用於機場、車站等地方的安全監測,比如探查隱藏的走私物品包括槍械、爆炸物、和毒品等,以及用於集成電路焊接情況的檢測等。極性物質對THz 電磁輻射的吸收比較強,特別是水,THz 光譜技術中應採取各種措施避免水分的影響,不過在THz 成像技術中,可以利用這一特性分辨生物組織的不同狀態,比如動物組織中脂肪和肌肉的分佈,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佈等。太赫茲成像技術與其他波段的成像技術相比,它所得到的探測圖像的解析度和景深都有明顯的增加(超聲、紅外、X-射線技術也能提高圖像解析度,但是毫米波技術卻沒有明顯的提高)。另外太赫茲技術還有許多獨特的特性,如在非均勻的物質中有較少的散射,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是一種非接觸測量技術,使它能夠對半導體、電介質薄膜及體材料的物理信息進行快速準確的測量。鑒於THz射線的特點,必將給通信、雷達、天文、醫學成像、生物化學物品鑒定、材料學、安全檢查等領域帶來深遠的影響,進而改變人們的生產生活。

4 太赫茲波 -THz應用

  太赫茲的獨特性能給通信(寬頻通信)、雷達、電子對抗、電磁武器、天文學、醫學成像(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)等領域帶來了深遠的影響。由於太赫茲的頻率很高,所以其空間解析度也很高;又由於它的脈衝很短(皮秒量級)所以具有很高的時間解析度。太赫茲成像技術和太赫茲波譜技術由此構成了太赫茲應用的兩個主要關鍵技術。同時,由於太赫茲能量很小,不會對物質產生破壞作用,所以與X射線相比更具有優勢。另外,由於生物大分子的振動和轉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,優良菌種的選擇等農業和食品加工行業有著良好的應用前景。太赫茲的應用仍然在不斷的開發研究當中,其廣袤的科學前景為世界所公認。(1)THz時域光譜技術

  目前已經開始商業化運作,世界範圍內已經有多家企業開始生產商用THz時域光譜儀,主要是美國,歐洲和日本的廠家。THz時域光譜技術的基本原理是利用飛秒脈衝產生並探測時間分辨的THz電場,通過傅立葉變換獲得被測物品的光譜信息,由於大分子的振動和轉動能級大多在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集團,進而可以通過特徵頻率對物質結構、物性進行分析和鑒定。一個比較重要的應用可以作為藥品質量監管。設想一下製藥廠的流水線上安裝一台THz時域光譜儀,從藥廠出場的每一片葯都進行進行光譜測量,並與標準的藥物進行光譜對比,合格的將進入下一個環節,否則在流水線上將劣質藥片清除掉,避免不同藥片或不同批次藥片的品質差儀,保證藥品的品質。(2)THz成像技術

  跟其他波段的成像技術一樣,THz成像技術也是利用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成像技術可以分為脈衝和連續兩種方式。前者具有THz時域光譜技術的特點。同時它可以對物質集團進行功能成像,獲得物質內部的折射率分佈。例如葵花籽可以和容易獲得葵花子的內部信息。圖3-4 給出了葵花籽樣品的實物照片和相應方法重構的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,那麼牙齒的正常部分與損蛀部分將很容易的區分開,同時不必照射x射線,對人體沒有附加傷害。 (3)安全檢查

  利用安全檢查應該說是現階段最吸引人的THz技術,它的本質原理是THz成像,目前由於目前主要採用連續波THz源,而且又由於它要解決的是目前最受人關注的反恐、緝毒等最讓人關注的問題,所以單列出來。目前英國發展的THz安檢設備已經進入試用階段。由於THz射線的穿透性和對金屬材料的強反射特性,並且THz的高頻率是的成像的解析度更高,所以可以很容易看到隱藏在衣物、鞋內的刀具、槍械等物品。同時如果結合THz的物質鑒別特性,能夠區分你身上是否攜帶炸藥或毒品。首都師範大學THz實驗室已經建立了常見的炸藥和毒品的數據譜庫,可以設想再過幾年,可以真正在機場見到真正的THz安檢的設備。另外,世界範圍內引起社會動蕩的自殺式炸彈恐怖襲擊,也可以利用THz安檢設備進行防範。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。鑒於大氣中水分對THz射線的強吸收作用,所以近距離雷達是THz射線的優勢所在。一個非常讓人嚮往的應用是穿牆雷達和探雷雷達,當然也可以用於抗震救災中遇難者的搜救,目前還處於研發階段。這是由於牆壁,木材等材料對THz透過,而人體包含大量水分,不透過THz,因此可以透過牆壁偵查到屋內的人員的分佈和活動,將反恐怖反綁架起到深遠的影響,同理也可以用於廢墟下人體的尋找。而探雷雷達是由於地雷一般在地表或地表附近,而乾燥的泥土可以透過THz射線,而地雷將會把THz射線反射回來,從而可以發現目標。(5)天文學

  在宇宙中,大量的物質在發出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。而這些物質在應用THz技術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

  THz用於通信可以獲得10GB/s的無線傳輸速度,特別是衛星通信,由於在外太空,近似真空的狀態下,不用考慮水分的影響,這比當前的超寬頻技術快幾百至一千多倍。這就使得THz通信可以以極高的帶寬進行高保密衛星通信。雖然由於缺乏高效的THz發射天線和源,使其還無法在通信領域商業化,但這必將由新型的發射裝置和發射源所解決 。 此外,太赫茲在半導體材料、高溫超導材料的性質研究等領域也有廣泛的應用。研究該頻段不僅將推動理論研究工作的重大發展,而且對固態電子學和電路技術也將提出重大挑戰。

5 太赫茲波 -THz技術的研究內容

  目前,籠統的說THz技術的研究主要圍繞三大部分內容展開,THz產生源、THz探測和應用研究。目前最大的困難還是沒有高功率攜帶型連續可調的成本較低的THz發射源,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。
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