太赫茲技術(shù)應(yīng)用介紹

太赫茲波(THz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。一百多年前，在紅外天文學(xué)上人們曾提到太赫茲，但在科研和民用方面很少有人觸及。在微波、可見光、紅外等技術(shù)被廣泛應(yīng)用的情況下，太赫茲發(fā)展滯后的主要原因在于缺少探測器和發(fā)射源，直到近十幾年，隨著科研手段的提高，人們在這一領(lǐng)域的研究才有了較大發(fā)展。

　　太赫茲的獨特性能給通信(寬帶通信)、雷達(dá)、電子對抗、電磁武器、天文學(xué)、醫(yī)學(xué)成像(無標(biāo)記的基因檢查、細(xì)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(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)所以具有很高的時間分辨率。太赫茲成像技術(shù)和太赫茲光譜技術(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(dāng)中，其廣闊的科學(xué)前景為世界所公認(rèn)。

　　(1)THz時域光譜技術(shù)。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(xué)大分子是具有本身物性的物質(zhì)集團(tuán)，進(jìn)而可以通過特征頻率對物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物性進(jìn)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(jìn)行進(jìn)行光譜測量，并與標(biāo)準(zhǔn)的藥物進(jìn)行光譜對比，合格的將進(jìn)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(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時域光譜技術(shù)的特點。同時它可以對物質(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。通過對比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，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(jìn)入試用階段。由于THz射線的穿透性和對金屬材料的強(qiáng)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。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(jìn)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，人們不需要靠近可疑分子就可以對其進(jìn)行檢查。

　　(4)THz雷達(dá)。實際上也是成像的一種。鑒于大氣中水分對THz射線的強(qiáng)吸收作用，所以近距離雷達(dá)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(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(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(biāo)。

　　(5)天文學(xué)：在宇宙中，大量的物質(zhì)在發(fā)出THz電磁波。 炭、水、一氧化碳、氮、氧等大量的分子可以在THz頻段進(jìn)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(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(xué)和電路技術(shù)也將提出重大挑戰(zhàn)。

　　德國MenloSystems公司可提供基于光纖飛秒激光器的THz-TDS 系統(tǒng)，而美國Microtech Instruments公司可提供基于真空返波管(BWO)的THz光譜系統(tǒng)。這兩種基于不同方法產(chǎn)生THz波的系統(tǒng)可以滿足您各種不同應(yīng)用的需求。