太赫茲技術(shù)應用介紹

太赫茲波(THz波)是指頻率在0.1THz到10THz范圍的電磁波，波長(cháng)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(jiàn)光、紅外等技術(shù)被廣泛應用的情況下，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(zhù)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、電子對抗、電磁武器、天文學(xué)、醫學(xué)成像(無(wú)標記的基因檢查、細胞水平的成像)、無(wú)損檢測、安全檢查(生化物的檢查)等領(lǐng)域帶來(lái)了深遠的影響。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(shí)間分辨率。太赫茲成像技術(shù)和太赫茲光譜技術(shù)由此構成了太赫茲應用的兩個(gè)主要關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)，由于太赫茲能量很小，不會(huì )對物質(zhì)產(chǎn)生破壞作用，所以與X射線(xiàn)相比更具有優(yōu)勢。另外，由于生物大分子的振動(dòng)和轉動(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)良菌種的選擇等農業(yè)和食品加工行業(yè)有著(zhù)良好的應用前景。太赫茲的應用仍然在不斷的開(kāi)發(fā)研究當中，其廣闊的科學(xué)前景為世界所公認。

　　(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)生并探測時(shí)間分辨的THz電場(chǎng)，通過(guò)傅立葉變換獲得被測物品的光譜信息，由于大分子的振動(dòng)和轉動(dòng)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，進(jìn)而可以通過(guò)特征頻率對物質(zhì)結構、物性進(jìn)行分析和鑒定。一個(gè)比較重要的應用可以作為藥品質(zhì)量監管。設想一下制藥廠(chǎng)的流水線(xiàn)上安裝一臺THz時(shí)域光譜儀，從藥廠(chǎng)出場(chǎng)的每一片藥都進(jìn)行進(jìn)行光譜測量，并與標準的藥物進(jìn)行光譜對比，合格的將進(jìn)入下一個(gè)環(huán)節，否則在流水線(xiàn)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(xiàn)照射被測物，通過(guò)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)它可以對物質(zhì)集團進(jìn)行功能成像，獲得物質(zhì)內部的折射率分布。例如葵花籽可以和容易獲得葵花子的內部信息。通過(guò)對比葵花籽樣品的實(shí)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，那么牙齒的正常部分與損蛀部分將很容易的區分開(kāi)，同時(shí)不必照射x射線(xiàn)，對人體沒(méi)有附加傷害。

　　(3)安全檢查，利用安全檢查應該說(shuō)是現階段最吸引人的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(wèn)題，所以單列出來(lái)。目前英國發(fā)展的THz安檢設備已經(jīng)進(jìn)入試用階段。由于THz射線(xiàn)的穿透性和對金屬材料的強反射特性，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、鞋內的刀具、槍械等物品。同時(shí)如果結合THz的物質(zhì)鑒別特性，能夠區分你身上是否攜帶炸藥或毒品。另外，世界范圍內引起社會(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。實(shí)際上也是成像的一種。鑒于大氣中水分對THz射線(xiàn)的強吸收作用，所以近距離雷達是THz射線(xiàn)的優(yōu)勢所在。一個(gè)非常讓人向往的應用是穿墻雷達和探雷雷達，當然也可以用于抗震救災中遇難者的搜救，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(guò)，而人體包含大量水分，不透過(guò)THz，因此可以透過(guò)墻壁偵查到屋內的人員的分布和活動(dòng)，將反恐怖反綁架起到深遠的影響，同理也可以用于廢墟下人體的尋找。而探雷雷達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(guò)THz射線(xiàn)，而地雷將會(huì )把THz射線(xiàn)反射回來(lái)，從而可以發(fā)現目標。

　　(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)在應用THz技術(shù)以前一部分根本無(wú)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(wú)線(xiàn)傳輸速度，特別是衛星通信，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)行高保密衛星通信。雖然由于缺乏高效的THz發(fā)射天線(xiàn)和源，使其還無(wú)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，太赫茲在半導體材料、高溫超導材料的性質(zhì)研究等領(lǐng)域也有廣泛的應用。研究該頻段不僅將推動(dòng)理論研究工作的重大發(fā)展，而且對固態(tài)電子學(xué)和電路技術(shù)也將提出重大挑戰。

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