太赫兹(THz)物理、器件及其应用

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太赫兹原理及应用

THz在安全检查上的应用
报纸
尖刀 !!
二. THz在无损检测中的应用
使用太赫兹技术研究航天飞机失事的原因
三.THz 在医学中的应用
mm
电光信号 (nA)
标准照片 Standard photo
THz 成像 THz Imaging
00 0
5
10
15
20
肿瘤 a tumor
25 05
10 15 20 25 mm
THz辐射主要应用领域
生物医学安全检查工业无损检测空间物理和天文学环境监测化学分析军事和通信领域
一、THz 在国家安全、反恐方面的作用
由于 THz 波对衣物、塑料、陶瓷、硅片、纸张和干木材等一系列物质具有较好的穿透性能；而且能够根据物质的THz“指纹谱”，对物质进行识别，所以在毒品、化学生物危险品和武器等的非接触安全检测、邮件隐藏物的非接触检测等方面受到了反恐、保安和海关检查等部门的高度重视。
（四）大多数极性分子如水分子，对THz辐射有强烈的吸收。
（五）瞬态性： THz脉冲的典型脉宽在皮秒量级，通过电光取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰。在小于3THz时信噪比高达104:1，远远高于傅立叶变换红外光谱技术，而且其稳定性更好。
（六）宽带性：
THz脉冲光源通常包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从GHz至几十THz的范围，便于在大的范围里分析物质的光谱性质。
五. THz 技术在国防上的重要作用。
● THz 雷达可成为未来高精度雷达的发展方向:
由于 THz 波比通常微波的频率更高,在远程军事目标探测、显示前方烟雾中的坦克、远距离成像、多光谱成像等方面有重要的应用, 能够探测比微波雷达更小的目标和实现更精确的定位，具有更高的分辨率和更

太赫兹(THz) 科学技术及应用

Chopper
(四) THz波的应用
美国: 主要研究力量
目前全世界有 100个以上的研究小组在进行与THz 有关的研究欧洲: Teravision, Terabridge Teraview Ltd. 日本: Tera-photonics
台湾: Tera-photonics
China: NNSFC 新的 THz 项目
’
三. 在医学成像、诊断上的特殊作用
● MR, CT, PET 在医学成像中发挥很大的作用，但有局限性。
● CT, PET 均采用离子化辐射，可能会引起别的疾病; ● MR 和 CT不能对骨头成像； ● PET 有很高的灵敏度但空间分辨率差。 ● T-ray 成像可能解决上述问题： THz 与 X-ray 的最大区别在于，它在远红外区，光子能量比 X-ray 小约百万倍，没有离子化辐射问题； THz 频率段正好处在分子相互作用段，它可以给出位置和密度的信息。可用于分子活动的研究，并给出很高的空间分辨率（~ 300um）。它很少散射，使成像很简单，不需要进行散射校正。 THz –ray在成像中的最重要的特性是，在THz –ray 作用下，不同的分子具有特定的相互作用，可用于在分子尺度上的材料确定，用于诊断疾病和癌疹的早期发现。 THz –ray可用于计算机照相，THz –ray CT可获得三维分子或化学的图象，其分辨率可达 um 量级。
1. THz在安全检查上的应用
报纸
尖刀 !!
THz在安全检查上的应用
恐怖分子
T-射线收发器
人质
当警察需要从屋外确知人质、恐怖分子和武器的详细位置和状况的时候，我们可否使用THz收发器来帮忙?
2. THz在毒品检测中的应用

太赫兹通信关键技术及应用场景分析

太赫兹通信关键技术及应用场景分析目录一、太赫兹通信概述 (1)1.1 太赫兹波段特性 (2)1.2 太赫兹通信技术发展历程 (3)二、太赫兹通信关键技术 (4)2.1 太赫兹波段调制技术 (5)2.2 太赫兹信号处理技术 (7)2.3 太赫兹通信系统设计 (8)三、太赫兹通信应用场景分析 (10)3.1 集成电路与微组件测试 (11)3.2 军事通信与导航 (13)3.3 医疗健康与生物成像 (14)3.4 物联网与智能城市 (16)3.5 无人机通信与遥感 (17)四、太赫兹通信发展趋势与挑战 (19)4.1 技术发展趋势 (20)4.2 应用场景拓展 (21)4.3 面临的挑战与研究方向 (22)一、太赫兹通信概述太赫兹通信作为一种新兴的通信技术，以其独特的优势和广泛的应用前景，引起了全球科研人员和工程师的广泛关注。

太赫兹波段位于微波与光波之间，频率范围约为THz至数十THz，拥有极宽的带宽和较高的信息传输速率潜力。

由于其特殊的频段位置，太赫兹通信融合了微波通信和光波通信的特点，既具备无线传输的便捷性，又具备光通信的高速率优势。

太赫兹通信被认为是一种潜力巨大的新型通信技术。

太赫兹通信的关键技术包括信号产生、信号检测、传输和调制解调等多个方面。

通过对这些技术的研究和改进，可以不断提升太赫兹通信的性能和应用能力。

特别是在数据吞吐量大、延迟要求苛刻的高动态通信环境中，太赫兹通信表现出了其独特的优势和应用前景。

太赫兹频谱由于其丰富的频谱资源，使得其在高速数据传输、无线通信网络等领域具有巨大的应用潜力。

随着技术的不断进步和成熟，太赫兹通信将在未来通信领域发挥越来越重要的作用。

全球范围内对太赫兹通信的研究已经进入到一个快速发展的阶段。

各种新的技术和理论正在不断发展和完善，同时随着生产工艺和材料科学的进步，太赫兹设备的生产也得到了快速的发展。

由于太赫兹波特殊的物理性质和应用潜力，太赫兹通信在未来有可能在卫星通信、安全监控、医学成像等领域得到广泛的应用和推广。

THz (太赫兹)电磁波段的物理、器件及应用研究

THz (太赫兹)电磁波段的生物物理、器件及应用研究——光学物理在生物中应用东南大学无线电系高昊04002227（本人目前参与该项目前期准备，中国科学院西安光机所）THz辐射通常指的是波长在1mm～33mm区间(300GHz～10THz)的电磁辐射，其波段位于微波和红外光之间。

近十几年来超快激光技术的迅速发展，极大地促进了THz辐射的机理研究、检测技术和应用技术的发展。

这一曾被称为"THz空白"的电磁波段领域，近几年来取得了许多进展，成为一个引人注意的前沿领域。

物质的THz光谱(包括发射、反射和透射)包含有丰富的物理和化学信息，如凝聚态物质的声子频率、大分子(包括蛋白质等生物分子)的振动光谱均在THz波段有很多特征峰，凝聚态物质和液体中的载流子对THz辐射也有非常灵敏的响应。

研究有关物质在这一波段的光谱响应，探索其结构性质及其所揭示的新的物理内容已成为一个新的研究方向。

此外，作为一种新型相干光源，THz辐射的独特性质在物理、信息、材料和生物等领域具有广阔的应用前景，如凝聚态体系中的各种超快过程探测、宽带通讯、高速光电子器件、材料表征、无标记生物芯片、医学诊断等等。

由此带动的交叉研究将会有力地推动和促进这些相关学科的进一步发展。

科学目标对THz辐射源的机理和新型器件、THz辐射与物质的相互作用、THz辐射的探测成像及其应用，开展跨学科、多层次的综合研究。

突出科学问题的原创性，促进与技术创新的结合，在THz辐射理论和实验两个方面取得标志性的成果，使我国的研究在国际上这一新兴领域占有一席之地。

为各相关学科研究和THz辐射在其他高新技术领域的应用奠定理论和实验基础。

研究内容1、THz辐射源的机理和新型器件(1)超短脉冲强激光产生的THz脉冲辐射：研究TW级超强激光脉冲与半导体和非线性光学晶体的相互作用，探索超强激光场作用下载流子和介质极化的动力学过程；研究超短脉冲强激光产生THz辐射的机理，产生强THz脉冲。

太赫兹技术及应用介绍

太赫兹技术及应用介绍太赫兹技术是一种新兴的无线通信和传感技术，指的是在太赫兹频段（介于红外线和微波频段之间，约为0.1至10太赫兹）进行信号传输和数据通信的技术和应用。

太赫兹技术因其在高频段的特殊性质和广泛的应用前景而备受关注。

太赫兹技术的应用领域非常广泛，涵盖了通信、传感、成像、医学、安全检测等多个领域。

下面将对太赫兹技术及其应用进行详细介绍。

首先，太赫兹技术在通信领域有着广阔的应用前景。

相较于传统的无线通信技术，太赫兹技术能够提供更高的数据传输速率，比如可达到几百兆比特每秒到数十吉比特每秒的水平。

因此，太赫兹技术可以应用于高速数据传输、宽带通信和高密度通信等领域。

此外，太赫兹技术在无线局域网（WLAN）和无线传感器网络（WSN）中也能发挥重要作用。

其次，太赫兹技术在传感领域也具备巨大的潜力与应用价值。

太赫兹波可以穿透许多非金属材料，如纸张、衣物、塑料等。

因此，太赫兹技术可以用于非接触式的物体检测和远程传感。

在材料检测中，太赫兹技术可以检测物质的物理与化学性质，如折射率、吸收系数等，因此可以广泛用于材料分析、产品质量控制等方面。

此外，太赫兹技术还可以应用于安全检测，如用于检测危险品、武器等。

太赫兹技术在成像领域也有许多应用。

太赫兹波可以穿透许多常见的物体，并能够探测到物体的内部结构。

因此，太赫兹技术可以用于非破坏性检测和成像。

在医学领域，太赫兹技术可以用于人体组织结构的成像，如乳腺癌的早期诊断、皮肤癌的检测等。

此外，太赫兹技术还可以用于隐蔽物体的发现与识别，如用于安全检测中的X射线透视、行李检测等。

太赫兹技术在医学领域也有广泛的应用潜力。

太赫兹波可以穿透多种生物组织，如皮肤、毛发、牙齿等，而对于没有选择性吸收的健康组织，太赫兹波也不会对其产生伤害，这使得太赫兹技术成为了无创医学成像和诊断的理想选择。

太赫兹技术可以用于早期癌症的筛查和诊断，如乳腺癌、皮肤癌等。

同时，太赫兹技术还可以用于药物递送和治疗监测等方面。

太赫兹(THz)物理、器件及其应用

MC solution of Boltzmann equation
The semi-classical BE for transport of Bloch electrons: f (r , k , t ) 1 F f |coll , k E (k ) r f k f t t
• Used to solve mathematical problems by random-number technology • Using random numbers in an essential way to simulate scattering processes • The differential-integral equations usually include high-order numerical integrations
发展了THzQCL MC模拟程序，设计了基于共振声子散射的THzQCL。研究了子带激光器动力学
Phys. Rev. Lett. 90, 077402 (2003) Appl. Phys. Lett. 88, 061119 (2006) J. Appl. Phys. 104, 043101 (2008)

完成了THzQCL材料生长、器件制作
-

优化了THzQCL器件设计
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Roadmap of THzQCL
The first THzQCL - Kö hler et.al, Nature 2002 (Pisa, Italy)
•
• • •
Chirped-superlattice
Semi-insulating surface plasmon waveguide Lasing at 4.4 THz Maximum operating temperature of 50 K

《太赫兹超材料高灵敏度生物传感器研究》范文

《太赫兹超材料高灵敏度生物传感器研究》篇一一、引言随着科技的不断发展，生物传感器已成为生物医学、生物工程和医疗诊断等领域不可或缺的装置。

太赫兹超材料因其独特的物理性质，在传感器技术中展现出了巨大的应用潜力。

本文旨在研究太赫兹超材料高灵敏度生物传感器的设计、制备及其在生物医学中的应用。

二、太赫兹超材料概述太赫兹（THz）波是一种电磁波，其频率介于微波与红外线之间。

太赫兹超材料是一种具有特殊电磁性质的人工结构材料，能够控制太赫兹波的传播和散射。

其独特的物理性质使得太赫兹超材料在传感器、通信和成像等领域具有广泛的应用前景。

三、高灵敏度生物传感器设计1. 材料选择：选用具有高灵敏度和稳定性的太赫兹超材料作为传感器的基础材料。

2. 结构设计：设计合理的传感器结构，包括超材料的排列方式、厚度、尺寸等，以优化传感器的性能。

3. 制备工艺：采用先进的微纳加工技术，制备出高质量的太赫兹超材料生物传感器。

四、传感器制备与性能测试1. 制备过程：详细描述传感器的制备过程，包括材料准备、结构设计、加工工艺等。

2. 性能测试：对制备出的生物传感器进行性能测试，包括灵敏度、响应时间、稳定性等。

实验结果表明，该生物传感器具有高灵敏度和良好的稳定性。

五、生物医学应用1. 生物分子检测：利用太赫兹超材料生物传感器检测生物分子，如蛋白质、DNA等。

通过测量太赫兹波的散射或吸收变化，实现对生物分子的高灵敏度检测。

2. 细胞成像：将太赫兹超材料生物传感器应用于细胞成像，通过测量细胞对太赫兹波的响应，实现对细胞的非侵入性检测和成像。

3. 疾病诊断：利用太赫兹超材料生物传感器检测生物标志物，实现疾病的早期诊断和监测。

例如，通过检测肿瘤标志物，实现对肿瘤的早期发现和评估。

六、结论本文研究了太赫兹超材料高灵敏度生物传感器的设计、制备及其在生物医学中的应用。

实验结果表明，该生物传感器具有高灵敏度和良好的稳定性，可应用于生物分子的检测、细胞成像以及疾病诊断等领域。

太赫兹综述―THz技术的应用及展望.

THz 技术的应用及展望*王少宏1许景周1汪力2张希成1(1 美国伦斯勒理工学院物理系特洛伊 NY 12180(2 中国科学院物理研究所光物理开放实验室北京 100080摘要自20世纪80年代中期以来,THz 辐射的研究取得了重要的进展.文章介绍和讨论了以THz 辐射为探测光源的时域光谱测量在基础物理、信息材料、化学和生物材料研究中的应用,以及THz 成像和THz 雷达技术在材料研究、安全检查和生物医学等领域的应用前景.关键词 THz 辐射,时域光谱,成像APPLIC ATIONS AND PROS PECTS OF TER AHERTZ TECHNOLOGYWANG Shao Hong 1XU Jing Zhou 1WANG Li 2ZHANG Xi Cheng1(1 De pa rtmen t o f Ph ysic s ,Ren ssela er Polite chn ic Institu te ,Tory ,NY 12180(2 Laboratory o f Optica l Ph ysic s ,Institu te o f Physics ,Ch in ese Ac ad emy o f Scie nce s ,Bei jing 100080,Ch inaAbstract Re markable progress in research on terahe rtz(THzradia t ion has been achieved since the mid 80!s.We re view the applications of time domain spectroscopy with THz radiation as the probe source in basic physic s,infor mation materials science,che mistry and biology,along with the prospects of THz imaging and THz radar applied to ma terials research,security inspec tion and biomedicine.Key words THz radiation,time domain spec trosc opy,imaging* 2000-12-04收到初稿,2001-06-01修回THz 辐射通常指的是波长在1mm ∀100 m (300GHz ∀3THz区间的远红外电磁辐射,其波段位于微波和红外光之间.在20世纪80年代中期以前,由于缺乏有效的产生和检测方法,科学家对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限,以致该波段被称为电磁波谱中的THz 空隙.近十几年来超快激光技术的迅速发展,为THz 脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源,使THz 辐射的机理研究、检测技术和应用技术得到蓬勃发展[1].THz 技术之所以引起广泛的关注,首先是由于该波段电磁波的重要性.物质的THz 光谱(包括发射、反射和透射包含有丰富的物理和化学信息,研究材料在这一波段的光谱对于物质结构的探索具有重要意义.其次,THz 脉冲光源与传统光源相比具有很多独特的性质,其中包括:(1瞬态性:THz 脉冲的典型脉宽在皮秒量级,不但可以方便地进行时间分辨的研究,而且通过取样测量技术,能够有效地抑制背景辐射噪音的干扰.目前,辐射强度测量的信噪比可大于1010.(2宽带性:THz 脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡,单个脉冲的频带可以覆盖从GHz 至几十THz 的范围.(3相干性:THz 的相干性源于其产生机制.它是由相干电流驱动的偶极子振荡产生,或是由相干的激光脉冲通过非线性光学差频变换产生.(4低能性:THz 光子的能量只有毫电子伏特,因此不容易破坏被检测的物质.这些特点决定了THz 技术存在的价值,并可以预见其巨大的应用潜能.下面分别叙述THz 光谱的若干技术应用.1 THz 技术作为材料的分析和测试手段在THz 技术中,THz 时域谱(THz-TDS是一种非常有效的测试手段.典型的THz 时域谱实验系统主要是由超快脉冲激光器、THz 发射元件、THz 探测和时间延迟控制系统组成,如图1所示.来自超快激光器的具有飞秒脉宽的激光脉冲串列被分为两路.一路作为抽运光,激发THz 发射元件产生THz 电磁波.THz 发射元件可以是利用光整流效应产生THz 辐射的非线性光学晶体,也可以是利用光电导机制发射THz 辐射的赫兹偶极天线.另一路作为探测光与THz 脉冲汇合后共线通过THz 探测元件.由于THz 波的周期通常远大于探测光的脉宽,因此探测光脉冲通过的是一个被THz 电场调制的接收元件.和THz 脉冲的激发方式类似,检测技术也分为两种:(1使用电光(EO晶体作为THz 脉冲接收元件,这里利用了晶体的Pockels 效应,即THz 电场对探测光脉冲的偏振状态进行调制;(2使用半导体光电导赫兹天线作为THz 接收元件,利用探测光在半导体上产生的光电流与THz 驱动电场成正比的特性,测量THz 脉冲的瞬间电场.延迟装置通过改变探测光与抽运光间的光程差,使探测光在不同的时刻对THz 脉冲的电场强度进行取样测量,最后获得THz 脉冲电场强度的时间波形.图1 THz 时域谱测试系统示意图对THz 时间波形进行傅里叶变换,就可以得到THz 脉冲的频谱.分别测量通过试样前后(或直接从试样激发的THz 脉冲波形,并对其频谱进行分析和处理,就可获得被测样品介电常数、吸收系数和载流子浓度等物理信息.THz 测量技术的高信噪比和单个THz 脉冲所包含的宽频带,使得THz 技术能够迅速地对材料组成的微细变化作出分析和鉴定.随着信息技术的发展,目前对光电子材料响应速率的要求已经达到了GHz 甚至THz 的范围.THz 时域光谱技术的非接触测量性质在这一方面具有独特的优势[2],能够对半导体和电介质薄膜及体材料的吸收率和折射率进行快速、准确的测量[3],得到吸收率和折射率在GHz ∀THz 频段精确的分布.特别应该指出的是,THz 脉冲的相干测量技术在获得脉冲电场振幅的同时,也直接测量了脉冲各频率分量的位相,而不需要求助于Kramers-Kronig 关系来间接得出.这一特性使THz 技术尤其适用于材料折射率的检测,这往往是传统的光学方法所难以测量的.在传统的THz 时域谱测量系统的基础上,加入对被测样品的调制,就形成了THz 时域差异谱技术.应用此技术可实现对微米乃至亚微米量级厚度的薄膜进行介电常数的测量[4].THz 时域光谱技术对材料的光学常数测量的精度可高于1%[5].由于许多大分子的振动能级或转动能级间的间距正好处于THz 的频带范围,THz 时域光谱技术在分析和研究大分子(质量数大于100的分子方面具有广阔的应用前景.实验表明,利用THz 时域谱技术进行DNA 鉴别是可能的(见图2[6].此外,THz 还被用来研究某些生化试剂和酶的特性[7],等等.由于探测系统的取样窗口在亚皮秒的时间尺度,当存在强背景辐射时,绝大部分背景噪音信号可以被完全排除,这一特点使THz 时域谱技术在某些场合具有不可替代的作用.例如,在对火焰的研究方面,THz 时域谱技术就是目前仅有的、对非相干辐射不敏感的探测系统[8].图2 不同DN A 样品THz 吸收率随波数的变化[6]在基础物理学研究中,THz 技术同样发挥着重要的作用.由于THz 辐射脉冲的时间宽度在皮秒和亚皮秒的量级,因此THz 技术被广泛应用于超快时间分辨的光谱探测,如半导体和超导体中的超快载流子动力学过程和电声子相互作用过程[9,10],高温超导材料中库伯电子对在临界温度附近的位相相关性的动力学研究[11]等.2 THz 成像技术可见光、X 射线、电子束、中近红外光和超声波是医学诊断、材料分析以及在工业生产等诸多领域广泛应用的主要成像信号源,与以上的光源相比,THz 辐射对于电介质材料具有类似的穿透效果,除了可测量由材料吸收而反映的空间密度分布外,还可通过位相测量得到折射率的空间分布,获得材料的更多信息,这是THz 时域光谱的独特优点.此外,THz 源的光子能量极低,没有X 射线的电离性质,不会对材料造成破坏.因此,THz 成像技术有望在安全检查和医学检查等方面成为X 射线检测的补充手段.THz 成像所依据的基本原理是:透过成像样品(或从样品反射的THz 电磁波的强度和相位包含了样品复介电函数的空间分布.将透射THz 电磁波的强度和相位的二维信息记录下来,并经过适当的处理和分析,就能得到样品的THz 图像.THz 成像系统的构成如图3所示.THz 成像系统的构成和工作原理与THz 时域谱测试系统相似.THz 波被聚焦元件聚焦到样品的某一点土.收集元件则将透过样品(或从样品反射的THz 波收集后聚焦到THz 探测元件上.THz 探测元件将含有位置信息的THz 信号转化为相应的电信号.图像处理单元将此信号转换为图像.图3 THz 成像系统示意图贝尔实验室的一个研究组已成功地应用THz 扫描成像技术拍摄到封装在IC 芯片中的封装金属引线[12].THz 成像技术还可以对半导体材料或超导体材料物理特性的分布特征进行研究,如测量超导电流的矢量场分布图像等[13].THz 成像在生物医学样品中的应用也已经得到了广泛的关注[14,15].THz 的近场成像技术已经使得其分辨率达到了波长以下的尺度.利用近场成像和动态孔径的原理,目前THz 显微成像的分辨率已达到几十微米,实例见图4[16].在图4中,为提高传统THz 显微成像的分辨率,增加了一路控制(gating光,控制光经聚焦照射在半导体中激发光生载流子,使焦点处光生载流子的局部浓度高于未遇控制光的部分,局部浓度高的部分对THz 的阻挡本领偏高,这样就造出一个负的动态小孔 .使用了动态孔径的近场成像系统大大提高了THz 成像的分辨率.在较长的一段时间里,THz 成像技术应用中的障碍之一在于设备复杂昂贵,对图像信息的分析和处理技术也有待进一步实用化.目前,THz系统已经图4(a使用了动态孔径的近场成像系统;(b利用带有动态孔径的近场成像系统扫描出的图片实现了小型化,而连续THz 辐射的产生技术也将使THz 技术不再依赖于昂贵的飞秒激光器.可以乐观地期望,随着技术的发展,THz 成像的应用前景将是非常广阔的.3 应用THz 雷达技术进行敏感探测能否同微波一样,THz 也用来制成雷达 ?能否利用来自目标各层次界面反射的THz 电磁波的波形和时间差信息,探知目标或探测其内部形貌呢?答案是肯定的.图5就是利用上述技术获得的硬币不同层面的反射像.从技术特点上看,由于THz 辐射具有比微波更短的波长以及更为精确的时间检测装置,THz 雷达技术可以探测比微波雷达更小的目标和实现更精确的定位,因而THz 雷达技术有望在军事装备的实验室模拟研制、安全监测和医学检验上发挥其潜力.在实验室,已经利用THz 雷达技术对动物组织的烧伤进行了探测,并且可以对烧伤深度和程度作出标定,以辅助诊断皮肤的烧伤程度[2].综上所述,作为一种新兴的光谱分析手段,THz 技术由于光源本身和探测技术所具有的特点,在时域光谱研究和应用等领域正呈现出蓬勃的发展趋势,在基础研究、信息和光电子材料的检测、化学和图5 利用THz发射接收装置测量硬币的逐层像(aTHz发射接收装置成像系统图;(b硬币的THz逐层成像和光学像的比较(图中纵、横坐标的单位为cm生物样品的分析鉴定、生物医学、物体内部逐层探测,乃至现代通信技术等领域都展现出巨大的应用潜力.参考文献[1]Verghese S,McIn tos h K A,Brown E R.IEEE Tran s.Mic rowaveTh.Tech.,1997,45:1301[2]Mittleman D M,Gup ta M,Neela mani R e t 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太赫兹(THz)技术及其在深空探测中的应用

太赫兹（THz）技术及其在深空探测中的应用余小游，李仁发，余方，谌晓明，李斌（湖南大学计算机与通信学院，湖南长沙 410006）摘要：随着微纳器件工艺的长足进步，太赫兹波的产生、探测与发射已经成为可能，消除电磁波谱中的太赫兹空隙指日可待。

太赫兹技术在深空探测遥感成像、深空探测通信方面的应用前景十分广阔。

本文在简要介绍太赫兹基本理论和技术（简称THz技术）的基础上，对其应用于深空探测的前景进行初步探讨。

1 引言太赫兹波是指频率介于0.1-10THz之间的电磁波（波长为），是处于毫米波和红外波之间的相当宽范围的电磁辐射区域，涵盖了毫米波（0.03－0.3THz）高端（0.1－0.3THz）、亚毫米波（0.3－3THz）、远红外波（0.3－6TGHz）、中红外波（6－120THz）低端（6-10THz）的广泛波谱区域。

太赫兹波虽然广泛存在于自然界，如人体热辐射、生物大分子的振动和转动频率、天体辐射到地球的电磁波中的大部分、约50%的宇宙空间光子能量、大量星际分子的特征谱线等都处于太赫兹频段，但长期以来，由于缺乏有效的太赫兹辐射产生和检测方法，导致太赫兹频段的电磁波未得到充分的研究和应用，这个现象被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙”。

太赫兹波段处于电子学和光子学的交叉区域，太赫兹波的理论研究也处在经典电磁场理论和量子跃迁理论的过渡区，其性质表现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性，从而可广泛应用于波谱分析、成像和通信等领域。

太赫兹波又被称为T-射线，它在物理学、材料科学、医学和遥感成像、射电天文、宽带保密通信、深空探测测控通信方面具有重大的应用前景。

2 THz技术的研究现状太赫兹空隙现象存在多后，随着60GHz以下电磁波频段的日益拥挤、以及应用的不断发展需要，太赫兹波段成为人们重点关注的对象，太赫兹科学和技术也成为倍受各国政府支持和重视的先进科学技术，欧、美、日、俄等国家和地区投入大量人力、物力和财力进行相应的基础性理论研究和技术应用开发。

太赫兹波技术的研究进展与应用

太赫兹波技术的研究进展与应用太赫兹波是介于微波和红外线之间的电磁波，频率范围为0.1-10 THz，其波长为0.03-3毫米。

太赫兹波穿透力较强，能够穿透物质的表面几微米到几毫米的层次，同时对生物组织不具有显著的损伤效应，因此具有广泛的应用前景。

太赫兹波技术的研究自20世纪90年代以来得到了飞速发展，目前已经得到了广泛的研究和应用。

一、太赫兹波技术的研究进展1.太赫兹源技术太赫兹波的产生需要具有很高重复频率和较高的功率。

太赫兹源技术是制备太赫兹波材料、器件和探测器的核心技术。

当前太赫兹源技术主要包括激光光学法、电子加速器法、半导体发射法、量子阱法等。

2.太赫兹探测器技术太赫兹探测器技术是指测量太赫兹波的力量、功率、反射率、折射率等性质的技术。

太赫兹探测器的种类非常多，常用的有太赫兹探测器阵列、双晶探测器、热电探测器、介电探测器、红外探测器等。

3.太赫兹光学技术太赫兹光学技术主要是指太赫兹波与优异光学材料及器件的相互作用，该技术主要应用于太赫兹光学设备的设计、制造及相关光谱信息的提取。

二、太赫兹波技术的应用1.太赫兹成像技术太赫兹成像技术已成为最前沿的无损检测技术之一，可应用于航空、航天、国防、制造业等多个领域。

太赫兹成像技术可以探测物体内部的结构细节，并通过显微成像得到高分辨率的成像结果。

2.太赫兹波谱技术太赫兹波谱技术是通过分析试样对太赫兹的吸收、反射、透射等性质得到试样组成、物理状态和化学反应等信息的一种分析技术。

该技术应用于电子、生物、药物等领域的分析和诊断。

3.太赫兹通信技术太赫兹通信技术是一种新兴的宽频高速通信技术。

太赫兹通信具有信息传输速度快、波长短、能量损耗小、高带宽等优点，可以用于高速数据的传输，安全通信等多领域。

4.太赫兹波医疗技术太赫兹波的特点是可以穿透生物材料，而不破坏其分子结构。

太赫兹波医疗技术有望在肿瘤诊断、生物组织成像、疾病预防等方面发挥应用。

综上所述，太赫兹波技术在各个领域得到了广泛的应用，其研究进展也得到了飞速的发展。

太赫兹技术应用简介

太赫兹技术应用简介太赫兹波（THz波）是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长大概在0.03到3mm 范围，介于微波与红外之间。

一百多年前，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，直到近十几年，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。

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光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，其广阔的科学前景为世界所公认。

（1）THz时域光谱技术。

THz时域光谱技术的基本原理是利用飞秒脉冲产生并探测时间分辨的THz电场，通过傅立叶变换获得被测物品的光谱信息，由于大分子的振动和转动能级大多在THz波段，而大分子，特别是生物和化学大分子是具有本身物性的物质集团，进而可以通过特征频率对物质结构、物性进行分析和鉴定。

一个比较重要的应用可以作为药品质量监管。

设想一下制药厂的流水线上安装一台THz时域光谱仪，从药厂出场的每一片药都进行进行光谱测量，并与标准的药物进行光谱对比，合格的将进入下一个环节，否则在流水线上将劣质药片清除掉，避免不同药片或不同批次药片的品质差仪，保证药品的品质。

（2）THz成像技术。

跟其他波段的成像技术一样，THz成像技术也是利用THz射线照射被测物，通过物品的透射或反射获得样品的信息，进而成像。

太赫兹技术及其应用研究

太赫兹技术及其应用研究摘要：太赫兹技术是一个具有广泛应用前景的新兴学科，近10年来，太赫兹技术理论研究的蓬勃发展带动了太赫兹波应用研究的迅速扩大。

作为一种新型的相干光源，太赫兹辐射在物理化学、信息和生物学等基础研究领域，以及材料、国防、医学等技术领域具有重大的科学价值和广泛的应用前景。

文章简要介绍了太赫兹波的重要特性集、太赫兹技术的研究现状及应用前景，重点介绍了太赫兹技术的特性、及在国防领域的应用。

关键词：太赫兹；特性；太赫兹波成像；应用1 引言太赫兹(Terahertz，简称THz)辐射是对一个特定波段的电磁辐射的统称，通常它是指频率在0.1THz一10 THz(波长在3um～3 mm)之间的电磁波，在某些特定场合，指0.3 THz一3 THz 之间的电磁波，还有一种更广泛的定义，其频率范围高达100THz．直到上世纪80年代中期以前，人们对这个频段的电磁波特性知之甚少，形成了远红外线和毫米波之间所谓的“太赫兹空隙”(Teraheaz Gap)，对太赫兹波段广泛的研究兴趣还是在20世纪80年代中期以超快光电子学为基础的脉冲太赫兹技术产生以后．近20年来，随着低尺度半导体技术、超快激光技术以及超快光电子技术的飞速发展，太赫兹技术表现出了极大的应用潜力．作为一种新型的相干光源，太赫兹辐射在物理、化学、信息和生物学等基础研究领域。

以及材料、国防、医学等技术领域具有重大的科学价值和广泛的应用前景．本文将对太赫兹辐射的特性进行介绍，并在介绍太赫兹技术的常见应用基础上，着重对太赫兹技术在有关国防领域的潜在应用进行介绍．2 特性太赫兹波之所以引起科学界浓厚的研究兴趣，并不仅仅因为它是一类广泛存在而并不为人所熟悉的电磁辐射，更重要的原因是它具有很多独特的性质，正是这些性质赋予太赫兹波广泛的应用前景．从频谱上看，太赫兹辐射在电磁波谱中介于微波与红外辐射之间；在电子学领域。

太赫兹辐射被称为毫米波或亚毫米波；在光学领域，它又被称为远红外射线；从能量上看，太赫兹波段的能量介于电子和光子之间．2.1 波粒二相性太赫兹辐射是电磁波，因此它具有电磁波的所有特性．太赫兹波具有干涉、衍射等波动特性；在与物质互相作用时，太赫兹波还显示出粒子特性．2.2 穿透性太赫兹辐射对很多介电材料和非极性的液体具有良好的穿透性．因此，太赫兹波可以对很多不透明的物体进行透视成像．太赫兹的透视性使它作为x射线成像和超声波成像的补充，用于安全检查或者在质量控制中进行无损探伤．太赫兹波成像技术包括二维成像、飞行时间成像、复合孑L径成像、计算机辅助层析成像以及近场成像等．2.3 安全性太赫兹辐射的另一个显著特点就是它的安全性．相比于X射线有千电子伏的光子能量，太赫兹辐射的能量只有毫电子伏．它的能量低于各种化学健的键能，因此它不会引起有害的电反应．这一点在针对旅客身体的安全检查和对生物样品的检查等应用中至关重要．2.4 光谱分辨特性尽管太赫兹辐射的光子能量相对较低，但这一波段仍然包含了丰富的光谱信息．许多有机分子在太赫兹频段具有强的吸收和色散特性．物质的太赫兹光谱(发射、反射和透射光谱)包含丰富的物理和化学信息，使得它们具有类似指纹一样的惟一特点．因此，太赫兹光谱成像技术不仅能够分辨物体的形貌，还能识别物体的组成成分．2.5 其他特性与微波相比，太赫兹辐射具有更高的频率和带宽，作为通信载体时可以承载更多的信息，更强咕勺发射方向性．因此，太赫兹波在中短距离大容量无线通信中极具应用潜力．在成像应用中，太赫兹波具有更高的空间分辨率，在保持相同空间分辨率时，其成像具有更大的景深．由于THz有很多优越的特性，其重要的学术和应用价值已引起学术界的广泛关注和极大兴趣。

太赫兹(THz)技术资料讲解

太赫兹(THz)技术一、基本概念 (1)1. 太赫兹波 (1)2. 太赫兹波的特点 (1)二、国内外研究现状 (2)1. 美国 (3)2. 欧洲 (3)3. 亚洲 (3)三、太赫兹技术的应用 (4)1. 太赫兹雷达和成像 (4)2. 太赫兹通信 (5)3. 太赫兹安全检查 (6)4. 太赫兹无损检测 (7)5. 环境探测 (7)6. 生物医学 (8)7. 天文观测 (8)8. 材料特性的研究 (9)四、太赫兹技术的研究内容 (9)1. 太赫兹辐射源 (9)2. 太赫兹波段信号的探测 (10)3. 太赫兹功能器件 (10)五、我们能做些什么 (10)一、基本概念1.太赫兹波太赫兹(Terahertz)一词是弗莱明(Fleming)于1974年首次提出的，用来描述迈克尔逊干涉仪的光谱线频率范围。

太赫兹(THz, 1THz=1012Hz)频段是指频率从十分之几到十几太赫兹，介于毫米波与红外光之间相当宽范围的电磁辐射区域。

THz波又被称为T射线，在频域上处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，在电子学向光子学的过渡区域。

长期以来由于缺乏有效的THz辐射产生和检测方法，对于该波段的了解有限，使得THz成为电磁波谱中最后一个未被全面研究的频率窗口，被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙”（Terahertz Gap）。

2.太赫兹波的特点THz波具有很多独特的性质。

从频谱上看，THz 辐射在电磁波谱中介于微波与红外辐射之间；在电子学领域， THz辐射被称为毫米波或亚毫米波；在光学领域，它又被称为远红外射线；从能量上看, THz波段的能量介于电子和光子之间。

THz的特殊电磁波谱位置赋予它很多优越的特性，有非常重要的学术价值和应用价值，得到了全世界各国研究人员的极大关注。

THz 波的频率范围处于电子学与光子学的交叉区域。

在长波方向，它与毫米波有重叠，在短波方向，它与红外线有重叠。

在频域上， THz处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区。

太赫兹电子器件研究报告

太赫兹电⼦器件研究报告太赫兹电⼦器件研究报告1、定义与概念太赫兹（Terahertz，简称THz）是指频率在0.1 THz～10 THz（1 THz = 1012 Hz），波长在3 mm～30 µm范围内的电磁波，波段介于微波与远红外光之间，如图1所⽰。

THz波的长波段与亚毫⽶波重合，其发展主要依靠电⼦学技术；短波段与红外线重合，发展主要依靠光⼦学技术。

THz波的位置正好处于宏观经经典理论向微观量⼦理论的过渡区，也是电⼦学向光⼦学过过渡领域，它是最后⼀个⼈类尚未完全认知和利⽤的频段[1]。

20世纪90年代以前，由于缺乏有效的THz源及检测技术，致使⼈们对THz 波段的认知⾮常有限，使得THz波成为电磁波谱上的空隙。

近⼗⼏年来，激光技术的迅速发展为THz波的产⽣提供了稳定、可靠的激发光源，THz波检测技术及其应⽤的研究也得到了蓬勃的发展[2]。

相⽐于传统的电磁波和光波，THz脉冲的典型脉宽在⽪秒量级，不但可以⽅便的进⾏时间分辨的研究，⽽且通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的⼲扰[3]；THz脉冲源通常包括若⼲个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从吉赫兹⾄⼏⼗太赫兹的范围；由于它是由相⼲电流驱动的偶极⼦振荡产⽣的，或是由相⼲的激光脉冲通过⾮线性光学频率差频产⽣，因此有着很好的相⼲性；此外，THz光⼦的能量只有10-3eV，不易破坏被检测的物质，适合于⽣物⼤分⼦与活性物质结构的研究；⽽且，THz辐射具有很好的穿透性，它能以很⼩的衰减穿透物质，如烟尘、墙壁、碳板、布料及陶瓷等，在环境控制与国家安全⽅⾯能有效发挥作⽤。

2、太赫兹电⼦器件的国内外研究⽔平及其⼯作原理在太赫兹技术及应⽤中，太赫兹辐射源研究是太赫兹技术发展的重要环节，有多种⽅法都可产⽣THz辐射，主要包括以下⼏类[4,5]：（1）半导体THz源，如采⽤量⼦级联半导体激光器可直接产⽣THz源。

半导体THz源具有⼩巧、价格低廉和频率可调的特点，是⼈们希望的⼀种THz 源，但这类技术的THz源中，⼤部分需要器件的制冷且输出的功率较⼩，并且要把频率延伸到THz也是件难事；（2）基于光⼦学的THz发⽣器，如利⽤超短激光脉冲去激发太赫兹辐射源也是产⽣脉冲太赫兹辐射的主要⽅法，常⽤的激光激发技术有光导和光整流技术。

太赫兹器件

太赫兹器件
太赫兹器件是一种用于太赫兹频率范围（约为300 GHz至10 THz）的电子器件。

太赫兹频率范围被广泛应用于无线通信、成像、材料检测、生物医学等领域。

太赫兹器件包括发射器和接收器，用于产生和接收太赫兹辐射。

发射器通常采用光电或电子激励方式，通过激发半导体材料的电子或光子来产生太赫兹波。

接收器则用于检测和测量太赫兹辐射信号。

常见的太赫兹器件包括太赫兹激光器、太赫兹二极管、太赫兹天线、太赫兹滤波器等。

其中，太赫兹激光器是一种通过受激辐射产生太赫兹波的设备，广泛应用于太赫兹光谱学和成像领域。

太赫兹二极管则是一种将微波信号转换为太赫兹信号的器件，常用于太赫兹通信和雷达系统中。

太赫兹器件的发展受到材料、制备技术和器件设计等方面的限制。

目前，研究人员正在不断改进材料的性能，提高器件的工作频率和功率输出，并探索新的器件结构和工艺方法，以推动太赫兹技术的应用和发展。

太赫兹简介及特点和应用

太赫兹简介及特点和应用嘉兆科技THz波（太赫兹波）或成为THz射线（太赫兹射线）是从上个世纪80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科学家们将统称为远红外射线。

太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长大概在0.03到3mm范围，介于微波与红外之间。

实际上，早在一百年前，就有科学工作者涉及过这一波段。

在1896年和1897年，Rubens和Nichols就涉及到这一波段，红外光谱到达9um（0.009mm）和20um （0.02mm），之后又有到达50um的记载。

之后的近百年时间，远红外技术取得了许多成果，并且已经产业化。

但是涉及太赫兹波段的研究结果和数据非常少，主要是受到有效太赫兹产生源和灵敏探测器的限制，因此这一波段也被称为THz间隙。

随着80年代一系列新技术、新材料的发展，特别是超快技术的发展，使得获得宽带稳定的脉冲THz源成为一种准常规技术，THz技术得以迅速发展，并在实际范围内掀起一股THz研究热潮。

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。

我国政府在2005年11月专门召开了“香山科技会议”，邀请国内多位在THz研究领域有影响的院士专门讨论我国THz事业的发展方向，并制定了我国THz技术的发展规划。

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 ！”目前国内已经有多家研究机构开展太赫兹领域的相关研究，其中首都师范大学，是入手较早，投入较大的一家，并且在毒品和炸药太赫兹光谱、成像和识别方面，利用太赫兹对非极性航天材料内部缺陷进行无损检测方面做出了许多开拓性的工作，同时由于太赫兹射线在安全检查方面的独特优势，首都师范大学太赫兹实验室正集中力量研发能够用于实景测试的安检原型设备。

太赫兹量子环

太赫兹量子环以太赫兹量子环是一种基于以太赫兹(THz)波段的新型量子器件，具有广泛的应用潜力。

它结合了以太赫兹技术和量子技术的优势，可以在通信、图像处理、安全检测等领域发挥重要作用。

以太赫兹波段位于红外光和微波之间，具有较高的频率和较短的波长。

以太赫兹波段的电磁波能够穿透许多非金属材料，如纸张、塑料和衣物等，同时又能够被水分子吸收。

这使得以太赫兹技术在医学影像、食品质量检测和安全检测等领域具有独特的优势。

量子技术是一种基于量子力学原理的新兴技术，具有超越经典技术的优势。

量子技术能够利用量子态的特殊性质进行信息的存储、传输和计算，具有更高的安全性和更快的计算速度。

然而，传统的量子器件受限于环境干扰和量子纠缠困难等问题，使得其应用受到限制。

以太赫兹量子环的出现解决了传统量子器件的一些问题。

以太赫兹量子环利用了以太赫兹波段的特性，结合了量子技术的优势，形成了一种新型的量子器件。

以太赫兹量子环能够在以太赫兹波段进行量子信息的传输和处理，同时对环境噪声和干扰具有较高的抗干扰能力。

以太赫兹量子环的应用领域非常广泛。

在通信领域，以太赫兹量子环可以实现高速、安全的量子通信，提供更加可靠的通信保障。

在图像处理领域，以太赫兹量子环可以用于图像的获取、传输和处理，提高图像处理的效率和质量。

在安全检测领域，以太赫兹量子环可以应用于材料的检测和识别，提高安全检测的准确性和灵敏度。

以太赫兹量子环还可以用于材料的谱学分析、生物医学成像、无损检测等领域。

它的出现将推动以太赫兹技术和量子技术的进一步发展，为各个领域带来更多的创新和突破。

然而，以太赫兹量子环仍然面临一些挑战和难题。

首先，以太赫兹量子环的制备和调控技术需要进一步提高，以提高器件的性能和稳定性。

其次，以太赫兹量子环的集成化和封装技术也需要加强，以实现器件的规模化和商业化应用。

以太赫兹量子环作为一种新型的量子器件，将以太赫兹技术和量子技术相结合，具有广阔的应用前景。

它将在通信、图像处理、安全检测等领域发挥重要作用，推动相关技术的发展和创新。