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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】
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  


从技术成熟度来看,今年复合材料的工业检测有望率先迎来产业化拐点,随之而来的 是太赫兹安检设备,最终太赫兹通信技术将支撑起整个物联网的架构,成为车联网、 VR 设备、智能城市的网络载体。   

图 7:太赫兹技术发展历程  
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