太赫兹技术及其应用概述

bomoaa · 发表于 2013-3-17 11:56:39

太赫兹技术（T-RAY）是指利用太赫兹波的技术,所谓的太赫兹科学，就是研究电滋波中的某一段，但这段电滋波能“看透”许多东西。100多年前，在红外天文学上人们曾提到太赫兹，但在科研和民用方面很少有人触及。在微波、可见光、红外等技术被广泛应用的情况下，太赫兹发展滞后的主要原因在于缺少探测器和发射源，直到近10几年，随着科研手段的提高，人们在这一领域的研究才有了较大发展。目前人类对太赫兹的研究已发展成为一个新的领域，研究太赫兹的单位也从20年前的3个发展到全世界的200多个。
  　太赫兹波指的是频率在0.1THz~10.0THz范围的电磁波。它具有很多优异的性质，被美国评为“改变未来世界的十大技术”之一。太赫兹波谱学、太赫兹成像和太赫兹通信是当前研究的三大方向。在安全检查、无损探测、天体物理、生物、医学、大气物理、环境生态以及军事科学等诸多科学领域有着重要的应用。具有极高截止频率的肖特基二极管能够在室温下实现太赫兹波的混频、探测和倍频，是太赫兹核心技术之一；此外，在低损耗的衬底上实现太赫兹电路是太赫兹技术得以实现的基础。
  　太赫兹波是频率范围在0.1T至10THz(波长在3mm至30um)的电磁频谱，它介于毫米波与远红外光之间，是至今人类尚未充分认知和利用的频谱资源，有望对通信(宽带通信)、雷达、电子对抗、电磁武器、安全检查等领域带来深刻变革。
  　太赫兹的独特性能给通信(宽带通信)、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像(无标记的基因检查、细胞水平的成像)、无损检测、安全检查(生化物的检查)等领域带来了深远的影响。由于太赫兹的频率很高，所以其空间分辨率也很高;又由于它的脉冲很短(皮秒量级)所以具有很高的时间分辨率。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。同时，由于太赫兹能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以与X射线相比更具有优势。另外，由于生物大分子的振动和转动频率的共振频率均在太赫兹波段，因此太赫兹在粮食选种，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。太赫兹的应用仍然在不断的开发研究当中，其广袤的科学前景为世界所公认。
   经过近十几年来的研究，国际科技界公认，THz科学技术是一个非常重要的交叉前沿领域。由于THz的频率很高（波长比微波小1000陪以上），所以其空间分辨率很高。又由于脉冲很短（飞秒），THz辐射具有很高的时间分辨率。THz成像技术及THz波谱技术就构成了THz应用的两个主要关键技术。另一方面，THz的能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以与X射线相比，它又有很大的优势。
   太赫兹不能代替X光，但却有X光做不到的一些长处。X光和超声波能发现物体的轮廓和状态，但却无法侦测物体的化学性质，无法分辨爆炸物品和药品的区别，然而太赫兹却有这种本领，这对国际上的反恐斗争具有特别重要的意义。对目前人类发明的上百种类型爆炸物和地雷，太赫兹已能识别出其中的50多种。最新的进展是在30米左右，太赫兹就能准确地发现爆炸物品。当然，30米并不是什么了不起的距离，但其实用价值非常大，与其它安检手段相比，这已是独一无二的成就了。
   未来太赫兹的应用范围将扩大到以下四个方面，一是材料特性的研究，特别是轻分子和半导体，其中高温超导体的特性研究是太赫兹光谱技术应用的另一个领域，二是太赫兹成像和断层成像技术，三是在生物科学和药物领域的研究，包括从癌症诊断到基因分析等。最新的研究发现，人们常饮用的咖啡如果与某些药物相遇，就有可能变成“毒药”，而利用太赫兹技术，将在药理、癌症早期诊断等方面，有可能出现新的突破。
  科学研究的新的强有力的新方法
  （1）THz成像和THz波谱学在物理学、化学、生物医学、天文学、材料科学和环境科学等方面有着极其重要的应用。
  （2）THz波不仅可以成像而且可以作为一种特殊而有效的探针，对物质内部进行深入研究，提供关于物质的化学及生物成分、波谱特性、THz标记、量子互作用过程等重要信息。
  例如：利用THz很高的时域分辨率研究CdSe光导量子过渡现象，研究Ti02纳米晶格中载流子的输运过程，以及研究调控原子／分子的无辐射量子跃迁等方面均取得了重要的新成果。THz量子光学及量子计算机应用及强磁场下半导体的THz辐射等方面都作出了很突出的成就。
  利用强功率THz辐射可激发起物质内部原子及分子的非线性动力学过程，从而利用大功率超短脉冲THz可以在分子水平上研究物质的非线性特性。
  （3）THz在等离子体检测方面也有重要的优势。利用THz辐射可以探测出高温、高密度等离子体中密度的空间分布。THz在天文学研究上的应用显得很突出，科学家们在南极建立了一个移动天文站，利用THz望远镜观察到很多重要的新星体，对于研究宇宙的起源和星体的形成有重要的意义(值得一提的是我国在2005年初，也在南极建立了一个研究站)。
  THz技术对国民经济发展将起着重要的推动作用
  （1）THz在生物医学上的应用具有很大的吸引力。在皮肤癌的诊断和治疗，DNA的探测，THz的医学应用，THz断层成像，THz生物化学应用，药物的分析和检测等方面都显示了其强大的功能和成效。
  基于对蛋白质及基因特性等的研究，可建立起THz生物分子诊断技术。
  从而极大推动分子生物学的发展，并在医疗及药品的研制鉴定方面有很大的应用前景。
  （2）由于生物大分子的振动和转动频率均在THz波段，而THz辐射技术又可提取DNA的重要信息，因此，THz在植物，特别是粮食选种，优良菌种的选择等方面可以起重要的作用。总之太赫兹科学技术对农业、食品加工等行业有重要意义。
  THz在生物医学上有广泛的应用前景，下图表示在THz对皮肤癌的诊断和应用。
  （3）THz辐射可以穿透烟雾，又可检测出有毒或有害分子，所以在环境监测和保护方面可以发挥重要作用。据报道，THz环境监控设备（利用CO2激光作为泵源产生的2.5THz)已安装在美国卫星上。
  THz在国家安全、反恐方面的应用有着独特的优势
  （1）利用THz可以穿透物质的特性，英国首先研制了THz摄像机并且已在机场安全检查方面进行试用，效果很好。特别重要的是美国橡树岭国家实验室（ORNL）和田纳西大学合作，开展“穿墙计划（Through wall Program）”，利用THz成像技术从外部获得墙内信息。显然，这项穿墙技术在国家安全方面有很重要的价值
此外，利用THz波谱可以快速、有效的检查和识别毒品，美国已开展用THz谱技术检查邮件等项目，包括THz化学和生物制品的检测。
（2）THz在雷达和通信等方面的应用也有很大的潜力。THz在太空通信方面的巨大优势是没有疑问的。THz的大气窗口也已研究过(图6所示)。THz雷达在反隐身方面有特殊的功能。下面的报告中会谈到大功率THz辐射源的问题，这方面的研究工作是为THz雷达等做准备的。THz卫星太空成像和通信技术可能是今后大国关注的重要领域。
（3）THz应用于航天飞机可能故障的探测
哥伦比亚号航天飞机失事之后不久，根据航天飞机发射时拍摄的录像资料，提出了对失事原因的分析。美国一个实验室已进行了实验。所采用的THz脉冲中心频率为lTHz，频带宽度为3THz。经过多次实验，尤其是最近的对PAL～Ramp SOFI绝热泡沫层的成功探测，充分证明THz脉冲的确可以对航天飞机进行有效的无损探伤。我国太空发展计划肯定会需要这样的技术。
  THz科学技术是新一代IT产业的基础
  （1）科学家们预计，一旦THz辐射源、THz检测技术等发展以后，THz可以在现代IT科学技术和工业领域有极强的竞争力。下面将要说明这种竞争实际上已经开始。
  （2）随着THz科学技术的发展，很多高科技公司相继诞生，例如：英国Rultherford国家实验室(Rutherford Appleton Lab（RAL）)及欧洲航天局(ESA)于2002年起，执行Star Ti ger 计划成功后，建立了一个公司ThruVision公司，专门从事有关THz成像的商品化工作，开发出被动式THz成像仪，有以下特点：  a．被动式不需要THz源；b．可实时成像。英国剑桥大学孵化出(Spinoff)一个高科技公司一TeraView Ltd．从事THz摄像机的开发；
  （3）美国Michigen大学及Stanford大学孵化出Picometrix；Physicalscience Inc．；Calabazas Creek Res．Inc．等公司。基地设在加州的Picometrix公司的任务是“将THz科学技术交给政府及大学实验室手中，以便他们用于各项研究工作”。
  （4）日本也有很多公司，它们已经在从事包括高功率THz源在内的有关THz科学技术的研究、开发及成果的商业化等工作。可见，以THz科学技术为基础的新一代IT产业已开始逐步形成。
  研究THz技术本身就是一门重要的学科
如各种THz辐射的产生机制、超短脉冲THz的传播和传输、THz与物质的相互作用等。
下面给出几幅THz成像及THz波谱的结构框图。其中，有一幅是JPL研制的150微米的THz成像框图。由这些框图可以看到THz成像和THz波谱的发展和应用。
  同时也可以看到为了建立THz成像和THz波谱需要研究哪些THz器件和元件，如：THz源，THz检测，混频，THz传输、谐振等，以构成一个完整的THz成像和THz波谱系统。从下节起，我们将讨论这些器件和元件。

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