太赫兹波文献综述

太赫兹波技术

摘要：太赫兹波是一个非常有科学价值但尚未被完令认识和利用的电磁辐射区域，它在成像、医学诊断、信息通信、空问、天文学乃至军事等领域都有着广阔的应用前景。本文从总体上介绍了太赫兹波的独特性质、臆用领域，阐述了太赫兹波的产生、太赫兹波探测的机理和方法，并简单讨论了太赫兹技术的发展前景：被誉为21世纪影响人类未来的十大技术之一的太赫兹波科学技术，将会在未来的数年问逐渐成熟并得到广泛的应用。

引言

太赫兹渡(又称THz波、T射线)通常足指频率在0．1—10THz范围内的电磁辐射，在电磁波谱上位于微波和红外线之间。THz频段是一个非常有科学价值但尚未被完全认识和利用的最后一个电磁辐射区域。许多年来，由于缺乏切实可行的THz 波产生方法和检测手段，人们对THz波段的特性知之甚少，以致于该波段被称为电磁波谱中的“THz空隙”。

正文

1太赫兹波的独特性质

太赫兹波的频率范围处于电子学与光子学的交叉蔓域。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，太赫兹处于宏观经典理论向微观量子理沦的过渡区。

①THz脉冲的典型脉宽在亚皮秒量级，不但可以方便地对各种材料(包括液体、半导体、超导体、生物样品等)进行亚皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，而日．通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪音的干扰，得到具有很高信噪比(大于)太赫兹电磁波时域谱，并且具有对黑体辐射或者热背景不敏感的优点；

②THz脉冲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，便于在大范围里分析物质的光谱性质；

③THz波的光子能量较低，1’r比频率处的光子能量大约只有4 nlV，比x射线的光子能量弱10 7～108倍。因此THz波不会对生物组织产生导致电离和破坏的有害光，特别适合于对生物组织进行活体检查”“l。THz光子能量约为可见光，用THz 做信息载体比用可见光和近巾红外光能量效率高得多；

④THz波是具有量子特性的电磁波，具有类似微波的穿透能力，同时又具有类似

光波的方向性。THz波也可以被特定的准光学器件反射、聚焦和准直，可以在特定的波导中传输。THz波对于很多非极性物质具有较强的穿透能力，可以穿透很多对于可见光和红外线不透明的物质如塑料、陶瓷、有机织物、木材、纸张等，因而可用来刘已经包装的物品进行质榆或者用于安全榆查。

2太赫兹波的应用技术

THz波频率很高(波长比微波小1 000倍以上)，因而其空间分辨串很高；THz脉冲很短(飞秒级)，因而THz辐射又具有很高的时间分辨率。Ttlz时域光谱技术和THz 成像技术就构成了THz应刚的两个主要关键技术。

2．1 THz时域光谱技术

八十年代由AT&T、Bell实验宰和IBM的T．J．Watson研究中心发展起来的，是最新的太赫兹技术”。T也一TDS技术具有很多优点，如大带宽、高信噪比、可在室温下下作等，这些优点促成了THz—TDS技术越来越多的应用。

太赫兹时域光谱技术作为最新的太赫兹技术，近十年来已经得到了相当的发展和应用。但是目前THz—TDS技术的光谱分辨率与窄波段技术相比还很粗糙，其可以测量的频谱范围也比傅立叶变换光谱(FTS)技术小。提高光谱分辨率和扩大测量频谱范围将足未来THz—TDS技术发展的主要方向。

2．2 THz成像技术”⋯

THz渡广泛应用于无损检测领域，因此各种THz波成像技术成为THz波应用技术中最主要的研究方向。THz波成像技术有很多种，不同的THz波成像技术有着不同的应用，但目前这些成像技术大多尚在研究中．主要有：

①用光电导偶极子的T射线常规成像技术；

②用CCD摄像机的电光T射线成像技术；

③使用单周期脉冲T射线通过时间反演进行物

体重构的成像技术；

⑧利川基尔霍夫移动的T射线反射成像技术；

⑤动态孔径和暗场T射线成像技术；

3太赫兹波的应用领域

太赫鼓时域光谱(THz—TDS)技术是20世纪80 THz时域光谱技术和11Hz成像技术在很多基础研究领域、生物医学领域、公共安全领域、信息通信领域甚至军事领

域中都有着广阔的应用前景。

3．1医学领域

由于THz波具有类似x射线的穿透能力，而且其光子能量较低，没有x射线对活体组织的破坏作刚，因此THz波成像技术已经成为医学检查的一个有效工具。癌变组织和正常组织的THz渡具有不同的振幅、波形和时间延迟，对人体组织器官进行THz成像，可以从中得到肿瘤的大小和形状，可做出肿瘤的早期诊断。目前英国剑桥大学、日本东芝欧洲研究院等机构已经实现丁对皮肤癌、乳腺癌和牙齿等的THz波成像，获得的图像成为外科诊断和治疗的重要依据。

3．2安全检查领域

由于物质的THz光谱具有指纹特性，冈而可阱运用THz时域光谱技术检测包裹或信什中的毒品、爆炸物以及生物化学危险品等。可实现非接触、非破坏性的探测。美国911事什后，在信封中夹带生物病毒的恐怖活动曾引起了极大的恐慌和混乱，而THz波探测技术为防止此类恐怖活动提供了一个有力的T具。同样的方法还可用于多种生物大分子以及基因的分析与鉴别。THz波可以穿透衣物、纸盒、靼料等电介质，而液态水、金属等对于THz波具有强烈的吸收，因此THz波成像可以作为x射线成像、金属探测器的互补技术运用于机场、海关等处的安全检查。目前英国剑桥大学已经获得了人体的THz波透视图象。

3．3通信领域

THz波在通信方面的应用(如卫星间通信、短程大气通信、短程地面无线局域网通信等)一直受到各方面的高度重视。THz波是很好的宽带信息载体，它比微波的带宽和讯道数多得多，特别适合用作卫星问、星地间及局域网的宽带元线通信。rHz 波用于通信可以获得10 Gbps的无线传输速度，这比当前的超宽带技术还要快儿百到一千倍。与可见光和红外线相比，THz波同时具有极高的方向性以及较强的云雾穿透能力，因而THz通信可以以极高的带宽进行高保密卫星通信。由于金属和水对于TtIz波有强烈的吸收，THz波无线通信技术非常适合用于军事保密通信。3．4天文学领域

FHz是射电天文学极其晕要的频段，美国国家航空航天局(NASA)对于宁宙背景辐射的研究结果表明，在可观测的星系辐射中，亚毫米波和太赫兹波占相当大的比例，这些辐射大多来自低温的宇宙尘埃，较老的星系(如银河系等)就充满了这样