太赫兹特点及其应用

太赫兹特点及应用摘要：物质的太赫兹光谱（包括透射谱和反射谱）包含着非常丰富的物理和化学信息，研究物质在该波段的光谱对于物质结构的探索具有重要意义。关键词：太赫兹、波段、应用在这次的电子科学概论的讲座中，让我接触到了电子本科生专业的发展走向以及许多科技性前沿的研究领域。让我明白了本科生的培养是向宽口径发展，重在打好基础，为日后的专业性研究以及工程上的应用和创新奠定良好的基础。知识的应用要靠实践的积累。而东大的止于至善的理念把我们引领到研究型领域的前沿。从太赫兹到微波光子的波段研究，再到光传感、通信与网络技术等工程研究展现了东大电子强大的研究型团队力量。光子的研究、真空技术的探索无不显示东大走在科技的前沿；电路与系统的设计、显示中心的开发无不显示了东大走在工程设计的高峰。在泛泛的了解到如此之多的学科领域之后，让我印象尤其深刻的是太赫兹的技术与应用。太赫兹THz波（太赫兹波）或称为THz射线（太赫兹射线）是从上个世纪80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科学家们将统称为远红外射线。太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长大概在0.03到3mm范围，介于微波与红外之间。实际上，早在一百年前，就有科学工作者涉及过这一波段。在1896年和1897年，Rubens和Nichols就涉及到这一波段，红外光谱到达9um（0.009mm）和20um（0.02mm），之后又有到达50um的记载。之后的近百年时间，远红外技术取得了许多成果，并且已经产业化。但是涉及太赫兹波段的研究结果和数据非常少，主要是受到有效太赫兹产生源和灵敏探测器的限制，因此这一波段也被称为THz间隙。随着80年代一系列新技术、新材料的发展，特别是超快技术的发展，使得获得宽带稳定的脉冲THz源成为一种准常规技术，THz技术得以迅速发展，并在实际范围内掀起一股THz研究热潮。目前，国际上对太赫兹辐射已达成如下共识，即太赫兹是一种新的、有很多独特优点的辐射源；太赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿领域，给技术创新、国民经济发展和国家安全提供了一个非常诱人的机遇。它之所以能够引起人们广泛的关注、有如此之多的应用，首先是因为物质的太赫兹光谱（包括透射谱和反射谱）包含着非常丰富的物理和化学信息，所以研究物质在该波段的光谱对于物质结构的探索具有重要意义；其次是因为太赫兹脉冲光源与传统光源相比具有很多独特的性质。THz射线的特点人们关注THz技术的原因是THz射线普遍存在，是人们认识自然界的有效线索和工具。但是相对于其他波段的电磁波比如红外和微波，对它的认识和应用非常匮乏。其次，THz射线有它自身的特点。1.由于太赫兹的频率很高以及脉冲很短（皮秒量级），所以具有很高的空间分辨率时间分辨率。太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术由此构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。另外，THz脉冲的典型脉宽在皮秒量级，通过取样测量技术，能够有效地抑制远红外背景噪声的干扰。目前，脉冲THz辐射通常只有较低的THz射线平均功率，但是由于THz脉冲有很高的峰值功率，并且采用相干探测技术获得的是THz脉冲的实时功率而不是平均功率，因此有很高的信噪比。目前，在时域光谱系统中的信噪比可达105或更高。2.THz脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从GHz直至几十THz的范围，许多生物大分子的振动和转动能级，电介质、半导体材料、超导材料、薄膜材料等的声子振动能级落在THz波段范围。因此THz时域光谱技术作为探测材料在THz波段信息的一种有效的手段，非常适合于测量材料吸收光谱，可用于进行定性鉴别的工作。而且太赫兹在粮食选种，优良菌种的选择等农业和食品加工行业有着良好的应用前景。3.THz光子的能量低，只有几毫电子伏特，不会对物质产生破坏作用，因此不容易破坏被检测物质，所以与X射线相比更具有优势。4.许多的非金属非极性材料对THz射线的吸收较小，因此结合相应的技术，使得探测材料内部信息成为可能。陶瓷，硬纸板，塑料制品，泡沫等对THz电磁辐射是透明的，因此THz技术可以作为x射线的非电离和相干的互补辐射源，用于机场、车站等地方的安全监测，以及用于集成电路焊接情况的检测等。而极性物质对THz电磁辐射的吸收比较强，特别是水，THz光谱技术中应采取各种措施避免水分的影响，不过在THz成像技术中，可以利用这一特性分辨生物组织的不同状态，比如动物组织中脂肪和肌肉的分布，诊断人体烧伤部位的损伤程度，及植物叶片组织的水分含量分布等。太赫兹成像技术与其他波段的成像技术相比，它所得到的探测图像的分辨率和景深都有明显的增加（超声、红外、X－射线技术也能提高图像分辨率，但是毫米波技术却没有明显的提高）。另外太赫兹技术还有许多独特的特性，如在非均匀的物质中有较少的散射，能够探测和测量水汽含量等等。THz成像技术跟其他波段的成像技术一样，THz成像技术也是利用THz射线照射被测物，通过物品的透射或反射获得样品的信息，进而成像。THz成像技术可以分为脉冲和连续两种方式。前者具有THz时域光谱技术的特点。同时它可以对物质集团进行功能成像，获得物质内部的折射率分布。同样，如果样品是人的牙齿，那么牙齿的正常部分与损蛀部分将很容易的区分开，同时不必照射x射线，对人体没有附加伤害。THz时域光谱技术目前已经开始商业化运作，世界范围内已经有多家企业开始生产商用THz时域光谱仪，主要是美国，欧洲和日本的厂家。THz时域光谱技术的基本原理是利用飞秒脉冲产生并探测时间分辨的THz电场，通过傅立叶变换获得被测物品的光谱信息，由于大分子的振动和转动能级大多在THz波段，而大分子，特别是生物和化学大分子是具有本身物性的物质集团，进而可以通过特征频率对物质结构、物性进行分析和鉴定。一个比较重要的应用可以作为药品质量监管。设想一下制药厂的流水线上安装一台THz时域光谱仪，从药厂出厂的每一片药都进行光谱测量，并与标准的药物进行光谱对比，合格的将进入下一个环节，否则在流水线上将劣质药片清除掉，避免不同药片或不同批次药片的品质差异，保证药品的品质。THz的应用鉴于THz射线的特点，必将给通信、雷达、天文、医学成像、生物化学物品鉴定、材料学、安全检查等领域带来深远的影响，进而改变人们的生产生活。1.安全检查利用安全检查应该说是现阶段最吸引人的THz技术，它的本质原理是THz成像。由于目前主要采用连续波THz源，而且又由于它要解决的是目前最受人关注的反恐、缉毒等最让人关注的问题，所以很受重视。目前英国发展的THz安检设备已经进入试用阶段。由于THz射线的穿透性和对金属材料的强反射特性，并且THz的高频率是的成像的分辨率更高，所以可以很容易看到隐藏在衣物、鞋内的刀具、枪械等物品。同时如果结合THz的物质鉴别特性，能够区分你身上是否携带炸药或毒品。首都师范大学THz实验室已经建立了常见的炸药和毒品的数据谱库，可以设想再过几年，可以真正在机场见到真正的THz安检的设备。另外，世界范围内引起社会动荡的自杀式炸弹恐怖袭击，也可以利用THz安检设备进行防范。因为站岗的可以不再是士兵或保安人员，而是THz安检仪，人们不需要靠近可以分子就可以对其进行检查。2.THz雷达这实际上也是成像的一种。鉴于大气中水分对THz射线的强吸收作用，所以近距离雷达是THz射线的优势所在。一个非常让人向往的应用是穿墙雷达和探雷雷达，当然也可以用于抗震救灾中遇难者的搜救，目前还处于研发阶段。这是由于墙壁，木材等材料对THz透过，而人体包含大量水分，不能透过THz，因此可以透过墙壁侦查到屋内的人员的分布和活动，将反恐怖反绑架起到深远的影响，同理也可以用于废墟下人体的寻找。而探雷雷达是由于地雷一般在地表或地表附近，而干燥的泥土可以透过THz射线，而地雷将会把THz射线反射回来，从而可以发现目标。3.天文学在宇宙中，大量的物质在发出THz电磁波。炭（C）、水（H2O）、一氧化碳（CO）、氮（N2）、氧（O2）等大量的分子可以在THz频段进行探测。而这些物质在应用THz技术以前一部分根本无法探测而另一部分只能在海拔很高或者月球表面才可以探测到。4.通信技术THz用于通信可以获得10GB/s的无线传输速度，特别是卫星通信，由于在外太空，近似真空的状态下，不用考虑水分的影响，这比当前的超宽带技术快几百至一千多倍。这就使得THz通信可以以极高的带宽进行高保密卫星通信。虽然由于缺乏高效的THz发射天线和源，使其还无法在通信领域商业化，但这必将由新型的发射装置和发射源所解决。5.其他此外，太赫兹在半导体材料、高温超导材料的性质研究等领域也有广泛的应用。研究该频段不仅将推动理论研究工作的重大发展，而且对固态电子学和电路技术也将提出重大挑战。目前，笼统的说THz技术的研究主要围绕三大部分内容展开，THz产生源、THz探测和应用研究。目前最大的困难还是没有高功率便携式连续可调的成本较低的THz发射源，另外也没有能够常温下直接探测太赫兹射线的被动式探测器。正因为THz独特的特点以及巨大的开发价值，使得众多科研人士正致力于研究开发其的应用价值，东大也不例外，因此东大建立了THz研究所，这支科研团队拥有着刘盛纲院士、崔一平、崔铁军所长等强力的工作人员，相信东大的太赫兹研究所定能为科学领域作出巨大的贡献。参考文献：[1]LIUGui-feng,ZHAOHong-wei,GEMin,etal(刘桂锋，赵红卫，葛敏，等).SpectroscopyandSpectralAnalysis(光谱学与光谱分析)[2]王少宏,许景周,汪力,张希成THz技术的应用及展望.[3]张兴宁，陈稷，周泽魁太赫兹时域光谱技术[J].激光与光电子进展[4]张存林太赫兹感测与成像,北京；国防工业出版社，2008