神秘的太赫兹波的介绍

来源：中为咨询www.zwzyzx.com 【日期：2016-05-10 11:45:55】【打印】【关闭】

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太赫兹波的本质是光，只不过不能被肉眼所见。光具有波粒二象性，光在传播时呈现波动性，而在与物质作用时呈现粒子性。光传播时的波动性被我们用于通信，而光与物质的作用被我们用于成像。

1.1 光子小汽车的故事

被用于通信的波动性：试将光子想象成在高速上行驶的汽车，假如这条高速环绕地球一周，我们称之为“地球高速”。这辆“光子小汽车”将沿着地球转圈。转一圈需要多少秒我们称之为“时间”。一秒转多少圈我们称之为“频率”。时间的单位是“秒”，频率的单位是“赫兹”，两者互为倒数关系。随着“光子小汽车”速度的改变，环绕地球的频率就将改变，频率的变化可以被我们调制成“0”和“1”，进而用来承载信息，使得我们实现通信。显而易见，“地球高速”的路越宽，“光子小汽车”就跑的越快。“地球高速”的路宽我们称之为“带宽”。带宽越大，传输速度越快，承载的信息量也就越大。

图 1:光的波动性被用于通信

被用于成像的粒子性：“光子小汽车”行驶途中会遇到城镇。进入城镇时，就像光遇到物质，速度降低，我们称之为“透射”。“光子小汽车”停下来并消失在车流之中，我们称之为物质对光的“吸收”。一些车辆转向郊区，偏离原来的轨道，我们称之为“散射”。一些汽车甚至进行“U”型转弯，沿着原路返回，我们称之为“反射”。当光子发生透射时，其部分能量被吸收，从而能量下降，速度降低，这种衰减蕴含了被投射物质的密度信息，进而被用于成像。

图 2:光的粒子性被用于成像

1.2 太赫兹波的特别之处

太赫兹(terahertz，简写为 THz)是频率单位，等于 1,000,000,000,000Hz，通常用于表示电磁波频率。赫兹波是指频率在 0.1THz 到 10THz 范围的电磁波，波长大概在 3μm 到 3mm 范围。从频率上看，赫兹波在介于微波与红外线之间；从能量上看，赫兹波在电子和光子之间。在电磁频谱上，太赫兹波段两侧的红外和微波技术已经非常成熟，但是太赫兹技术基本上还是一个空白，其原因是在此频段上，既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合微波的理论来研究，THz 波所处的位臵正好处于宏观经典理论向围观量子理论的过渡区：

 THz 波的长波段与亚毫米波相重合，发展主要依靠电子学技术。

 THz 波的短波段与红外线相重合，发展主要依靠光子学技术。

图 3:THz 波在电磁波谱中的位置

2004 年，美国政府将 THz 科技评为"改变未来世界的十大技术"之四，而日本于 2005 年 1 月 8 日更是将 THz 技术列为"国家支柱十大重点战略目标"之首，举全国之力进行研发。另外，美国、欧洲、亚洲、澳大利亚等许多国家和地区政府、机构、企业、大学和研究机构纷纷投入到 THz 的研发热潮之中。THz 研究领域的开拓者之一，美国著名学者张希成博士称:"Next ray，T-Ray !"。THz 波的一些特点决定了它在许多基础研究领域有着相当重要的应用前景。

 瞬态性：THz 脉冲的典型脉宽在皮秒量级，可以很好地满足时间分辨的研究条件，并且能够有效抑制背景辐射噪声干扰。很多物理和化学过程，如能量传递和荧光寿命以及电子在水中溶剂化等，仅需 10-8秒就能完成，只有在皮秒脉冲实现后才有可能及时地观察这些极快的过程。

 宽带性：THz 脉冲通常包括若干个周期的电磁震荡，单个脉冲的频带可以覆盖从 GHz 至几十 THz 的范围，便于在大的光谱范围内对物质性质进行分析。例如，大多数的爆炸性物质在 THz 波段具有特征谱；许多超导材料、薄膜材料、半导体材料的声子振动能级也落在 THz 波段范围。  稳定性：THz时域光谱系统对黑体辐射不敏感，在小于3THz范围内信噪比高达104： 1，远远高于傅里叶变换红外光谱技术，而且其稳定性也更好。许多材料大分子振动光谱在THz波段存在很多特征吸收峰，因此THz时域光谱技术是探测材料在THz 波段信息的一种有效的手段。

 相干性：THz 相干性由非线性光学差频变换产生，因此 THz 技术可以作为 X 射线的非电离和相干的互补辐射源，用于机场、车站等地点的安全监测。极性物质特别是水对 THz 电磁辐射的吸收比较强，在 THz 成像技术中，利用这一特性分辨生物组织的不同状态，比如动物组织中脂肪和肌肉的分布、诊断人体烧伤部位的损伤程度、植物叶片组织的水分含量分布等。

 穿透性：THz 波能以很小的衰减穿透如纸张、布料、塑料等物质，THz 波甚至还可以穿透墙壁，它所得到的探测图像的分辨率和景深都有明显的增加。因此在对包装完全的物品进行质量监测方面以及安全检查等方面，THz 技术的应用前景十分广阔。  低能性：THz 光子的能量只有 10-3eV，与 X 射线相比，不会因为电离而破坏被检测物质，因此 THz 波适合对生物组织进行活体检查，例如利用 THz 时域光谱技术研究酶的特性，进行 DNA 鉴别，替代 X射线进行人体检查等，适合生物大分子与活性物质结构的研究。

图 4:太赫兹检测树叶中的水分

图 5:太赫兹安防成像

1.3 太赫兹成为各国研究热点

从全球角度来看，太赫兹技术专利申请主要集中在材料检测（G01N21/35、 G01N21/17）、太赫兹光谱测定的方法和装臵（G01J5/02、G01J3/42）、固态激光产生太赫兹源（H01S1/02、H01S3/10、G02F1/35）等技术，涵盖了太赫兹源、探测、应用三个领域的技术创新，其中材料检测技术研究热度最高，相关技术已经十分成熟。

图 6:太赫兹全球专利申请统计