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?cè)岬教?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/赫茲">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(cè)器和發(fā)射源，直到近十幾年，隨著科研手段的提高，人們?cè)谶@一領(lǐng)域的研究才有了較大發(fā)展。

　　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(無標(biāo)記的基因檢查、細(xì)胞水平的成像)、無損檢測(cè)、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(jí))所以具有很高的時(shí)間分辨率。太赫茲成像技術(shù)和太赫茲光譜技術(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(shí)域光譜技術(shù)。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上安裝一臺(tái)THz時(shí)域光譜儀，從藥廠出場(chǎng)的每一片藥都進(jìn)行進(jìn)行光譜測(cè)量，并與標(biāo)準(zhǔn)的藥物進(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(cè)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(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。通過對(duì)比葵花籽樣品的實(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(shí)不必照射x射線，對(duì)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(duì)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(shí)如果結(jié)合THz的物質(zhì)鑒別特性，能夠區(qū)分你身上是否攜帶炸藥或毒品。另外，世界范圍內(nèi)引起社會(huì)動(dòng)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?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。

　　(4)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射線的強(qiáng)吸收作用，所以近距離雷達(dá)是THz射線的優(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，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(dòng)，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(huì)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(cè)。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(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。

　　(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(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)。

　　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。