太赫茲技術(shù)及其應(yīng)用前景

摘要：太赫茲波是處于毫米波與紅外之間的波段，是電子向光子、宏觀向微觀過(guò)渡的區(qū)域。太赫茲是新型的、具備特殊性能的輻射源，其技術(shù)在通信、成像等許多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間。本文對(duì)太赫茲技術(shù)研究進(jìn)行了歸納，為今后的發(fā)展研究提供理論參考。

關(guān)鍵詞：太赫茲波；應(yīng)用技術(shù)；應(yīng)用前景

中圖分類號(hào)： TN744 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A DOI編號(hào)： 10.14025/j.cnki.jlny.2014.19.0081

太赫茲（Terahertz，1THz=1012Hz）波[1]是0.1～10THz范圍的電磁波，波長(zhǎng)約在30微米～3毫米之間，介于毫米波與紅外線之間。該頻域是電子學(xué)向光子學(xué)、宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過(guò)渡區(qū)。由于缺乏有效太赫茲發(fā)射源和靈敏探測(cè)器，這一波段也被稱為THz間隙。太赫茲波具有較寬的頻率范圍、獨(dú)特的光子能量與傳播特性，其所涉及的對(duì)象范圍涵蓋了生命個(gè)體、宇宙天體等諸多物質(zhì)，在與物質(zhì)相互作用時(shí)表現(xiàn)出極為豐富的物理內(nèi)涵。上世紀(jì)80年代以來(lái)，一系列新技術(shù)、新材料的發(fā)展，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)迅速發(fā)展，并在實(shí)際范圍內(nèi)掀起研究熱潮。

1太赫茲波的特點(diǎn)

人們關(guān)注THz技術(shù)的原因是THz波普遍存在，且其具有一系列獨(dú)特的性質(zhì)，是人們認(rèn)識(shí)自然界的有效線索和工具。THz波有以下特點(diǎn)：[2]

THz 脈沖很短，脈沖寬度在皮秒（ps，1s=1012ps）量級(jí)，其可方便有效地進(jìn)行時(shí)間分辯，而且THz 脈沖具有很高的信噪比，對(duì)于背景噪音的干擾具有較強(qiáng)的抑制能力。

THz 輻射頻帶非常寬，可從GHz 覆蓋到幾十THz的較寬范圍，該頻段覆蓋許多生物大分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)頻率，比如半導(dǎo)體材料、電介質(zhì)等材料的聲子振動(dòng)頻率就落在了THz波的頻段內(nèi)，基于這一特點(diǎn)，THz波非常適合分析物質(zhì)的光譜性質(zhì)。

THz 波具有低能性，能量只有幾毫電子伏，不易損壞被檢物質(zhì)，所以在物質(zhì)檢測(cè)上具有一定的優(yōu)勢(shì)。

THz 波穿透非極性非金屬材料時(shí)衰減小，可結(jié)合相應(yīng)技術(shù)探測(cè)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)等信息。而極性物質(zhì)水，對(duì)THz輻射的吸收比較強(qiáng)，所以成像技術(shù)中，可以利用這一特性分辨生物組織的不同狀態(tài)。

基于THz 波具有如此之多的特點(diǎn)，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)研究太赫茲技術(shù)的應(yīng)用潛質(zhì)成為科研工作者努力的方向，將太赫茲波廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)生活中，不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。

2太赫茲科學(xué)技術(shù)

太赫茲科技是改變未來(lái)世界不可估量的前沿陣地，對(duì)于提高技術(shù)創(chuàng)新、增進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、加強(qiáng)國(guó)防安全都有著非同小可的作用。鑒于THz波的特點(diǎn)，必將給通信、雷達(dá)、生物化學(xué)物品鑒定等領(lǐng)域帶來(lái)不可估量的影響，乃至改變整個(gè)人類社會(huì)的生活。太赫茲科學(xué)技術(shù)應(yīng)用之多[3]，備受人們關(guān)注。

2.1 THz時(shí)域光譜技術(shù)

目前THz時(shí)域光譜技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始商業(yè)化運(yùn)作，其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)，得到被檢測(cè)物質(zhì)的光譜信息。因?yàn)楹芏嗌锎蠓肿拥恼駝?dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)頻率在THz波段，所以可以通過(guò)特征頻率對(duì)物質(zhì)進(jìn)行分析和鑒定。如今，THz時(shí)域光譜技術(shù)已在美國(guó)、歐洲、日本等國(guó)家投入生產(chǎn)。

2.2 THz波成像

THz波成像是用THz波照射被檢測(cè)的物質(zhì)，通過(guò)物質(zhì)反射或透射獲取相應(yīng)的信息，從而形成像。THz成像技術(shù)有兩種方式，分別是脈沖成像和連續(xù)成像。

2.3公共安全檢查

利用THz波進(jìn)行安檢，其原理即為THz波成像。THz波不僅穿透性強(qiáng)，而且對(duì)金屬材料反射性也強(qiáng)，加之THz波具有高的分辨率，所以能夠很容易檢測(cè)到隱藏在包裹、行李箱內(nèi)的管制刀具等。同時(shí)還可應(yīng)用THz波能夠鑒別物質(zhì)的特性，檢測(cè)人體內(nèi)是否攜帶大麻、毒品等嚴(yán)禁物品。

2.4太赫茲雷達(dá)

THz雷達(dá)的應(yīng)用原理也是THz成像原理。鑒于水分對(duì)THz波的吸收作用強(qiáng)，以及物品對(duì)THz波的反射，使得近距離雷達(dá)成為THz波的優(yōu)勢(shì)。穿墻雷達(dá)和探雷雷達(dá)是科研工作者不斷追求的THz應(yīng)用技術(shù)，穿墻雷達(dá)可很好地應(yīng)用于抗?fàn)幘葹?zāi)時(shí)的搜救工作，探雷雷達(dá)對(duì)于暴恐襲擊時(shí)爆炸物的探測(cè)也有著可觀的前景，但二者目前都處在研究開(kāi)發(fā)的階段。

2.5 天文探測(cè)

在整個(gè)宇宙中，存在著大量的物質(zhì)，它們均可以發(fā)出THz波，利用THz波結(jié)合衛(wèi)星空間成像就可以探測(cè)到星際中的大氣分子，進(jìn)一步認(rèn)知天文領(lǐng)域，彌補(bǔ)了太赫茲之前在探測(cè)方面的缺憾。

2.6 THz通信技術(shù)

THz通信技術(shù)具有超快的傳輸速率，傳輸速率可達(dá)到10GB/s，特別是對(duì)衛(wèi)星通信方面，在近似真空的外太空下，不考慮水分的影響，THz通信可以以極高的帶寬進(jìn)行高保密衛(wèi)星通信。但由于缺乏有效的太赫茲輻射源，使得通信領(lǐng)域目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，但新型發(fā)射源的研發(fā)必將解決這一難題。

3太赫茲科學(xué)技術(shù)應(yīng)用前景

經(jīng)過(guò)科研工作者幾十年不斷努力的研究，如今THz科技已是全世界各國(guó)倍加關(guān)注的科研技術(shù)，其在人類生活的很多方面都有著非常可觀的開(kāi)發(fā)利用前景。太赫茲在不久的將來(lái)主要應(yīng)用在以下幾方面：

太赫茲具有偵測(cè)物體化學(xué)性質(zhì)的本領(lǐng)，能夠分辨爆炸物品和藥品，解決目前最受人們關(guān)注的反恐、緝毒等問(wèn)題。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，這對(duì)國(guó)際上的反恐斗爭(zhēng)具有特別重要的意義。

太赫茲在天文學(xué)上有著非常重要的應(yīng)用價(jià)值，南極建立的移動(dòng)天文站就是利用THz望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)了對(duì)很多重要新星體的觀測(cè)，完成了許多天文探測(cè)方面的應(yīng)用，具有難以估計(jì)的作用。

THz波在生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用具有很大的吸引力，對(duì)分子生物學(xué)的發(fā)展起到了促進(jìn)作用，并在醫(yī)學(xué)診斷及藥品研制鑒定方面具有可能超越現(xiàn)今技術(shù)的潛質(zhì)。

THz波可用于糧食選種，菌種優(yōu)選等方面，有望廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、食品加工業(yè)。

THz波可穿透煙霧檢測(cè)出大氣中有毒或有害的分子，對(duì)環(huán)境污染監(jiān)測(cè)及環(huán)境保護(hù)有重要的作用。據(jù)報(bào)道，在美國(guó)衛(wèi)星上已安裝THz環(huán)境監(jiān)控設(shè)備。英國(guó)利用THz波可穿透物質(zhì)的獨(dú)特性質(zhì)，首先研制出的THz攝像機(jī)已在機(jī)場(chǎng)安檢方面進(jìn)行試用，取得很好的效果。特別重要的是美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）和田納西大學(xué)合作，開(kāi)展“穿墻計(jì)劃（Through wall Program）”，利用THz成像技術(shù)從外部獲得墻內(nèi)信息。顯然，這項(xiàng)穿墻技術(shù)在國(guó)家安全方面有很重要的價(jià)值。

THz 通信技術(shù)具備傳輸速率高、方向性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，THz雷達(dá)可使反隱身技術(shù)無(wú)所遁形，這些都將在軍事應(yīng)用領(lǐng)域有著誘人的前景。

THz波用于探測(cè)航天飛機(jī)可能存在的故障。美國(guó)一個(gè)實(shí)驗(yàn)室已做出鑒定，尤其是對(duì)PAL～Ramp SOFI絕熱泡沫層的探測(cè)成功，充分肯定了THz波可對(duì)航天飛機(jī)進(jìn)行有效的無(wú)損探傷。

4展望

THz科技是許多國(guó)家競(jìng)相發(fā)展研究的技術(shù)，利用太赫茲的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，已在一些重要研究領(lǐng)域取得了巨大的進(jìn)展，但探索新型的太赫茲輻射源和靈敏探測(cè)器仍需要不斷努力，使太赫茲技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)用化、商業(yè)化。同時(shí)太赫茲技術(shù)的發(fā)展能夠促進(jìn)自然科學(xué)、應(yīng)用科學(xué)等交叉學(xué)科的迅速發(fā)展，對(duì)人類社會(huì)的諸多方面都將帶來(lái)深遠(yuǎn)影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 王憶鋒，毛京湘.太赫茲技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景分析[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2008，23（1）.

[2] 牧凱軍，張振偉，張存林.太赫茲科學(xué)與技術(shù).中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)[J].2009，（3）.

[3] 蔡禾，郭雪嬌，和挺等.太赫茲技術(shù)及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J].中國(guó)光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)，2010（3）.

作者簡(jiǎn)介：孫京南，碩士學(xué)歷，吉林化工學(xué)院化工與生物技術(shù)學(xué)院，助教，研究方向：物理教學(xué)、量子級(jí)聯(lián)激光器研究及大學(xué)生思想政治教育。endprint