太赫兹技术综述

太赫兹波技术应用及发展简述******

2019年12月

1 太赫兹波简述

1.1 太赫兹波背景

太赫兹波是(THz)波是一种频率介于0.1～10THZ、波长介于3000～30μm的电磁波。太赫兹波在电磁波谱中的位置位于微波与红外辐射之间。（如图1所示）由于太赫兹波直接在长波段与毫米波相重合，在短波段与红外光相重合，与之相应，其研究手段有电子学理论过渡为光子学理论。所以太赫兹波是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，也是电子学向光子学的过渡区，称为电磁波谱的“太赫兹空隙(THz gap)”。

图1 电磁波谱中太赫兹波相对位置

相对于电磁波谱中其余波，太赫兹波因其波长具有特殊性质。即对于非金属材料（陶瓷、木材、高分子化合物、纸、非极性液体）具有良好穿透性能；对于极性液体(水) ，表现出强烈的吸收性质;而对于金属材料，则表现出很高的反射性质。[1] 这使得太赫兹波成为理想的透射成像媒质。目前，基于太赫兹波的性质，其被广泛应用于安全检查、航空航天、生物医学、雷达通信等领域，具有良好的发展前景。

1.2 太赫兹波性质

太赫兹波综合了电子学与光子学的优越性能，在保留其电磁波特性的基础下，具有许多不同于其他电磁波的性能，诸如指纹特性、高穿透性与生物安全性等独特的优势。

A．指纹特性

太赫兹波具有指纹特性,可以识别不同物质的分子结构信息。其原理如下：物质有分子构成，由于大多数物质的晶格振动等物理性质存在差异，且其数值范围恰好对应于太赫兹波范围中，因此每一种物质在太赫兹波段中的波段透射-吸收光谱的位置、强度和形状均不相同。[1]这种微小的差异可以识别出物质的

变化，使得物质在太赫兹波的光谱中具有其独特性，太赫兹光谱由此被称为分子光谱。综上所述，太赫兹波可以根据物质的物理性质对不同物质进行仔细甄别，基于该性质的太赫兹波光谱识别技术被广泛利用。

图2 常见金属物质晶格空间分布

B．高穿透性

太赫兹波作为电磁波，其波长较短，因此具有良好穿透性。根据目前的研究，太赫兹波对于有极电介质、无极电介质及金属导体的透射性有较大差别，这种差别一定程度上可以作为其检测物质的参考。实际上，有极电介质中分子正负电荷中心不重合，存在等效电偶极矩；金属导体内部存在大量自由电子，其与太赫兹波作用时会出现共振吸收现象。[1]这导致二者对于太赫兹波的穿透性低。无极非金属介质内部不存在自由电子与等效电偶极矩，与太赫兹波作用时不会出现共振吸收现象。总而具有较强穿透性。基于以上的特点，太赫兹波成像时针对不同材质物质的成像效果具有较高区分度。

C．生物安全性

太赫兹波波长较短，因此根据光子能量公式E=hv，太赫兹波的光子能量处于毫电子伏特的数量级。其能量较低，对于生物体产生的电离辐射远远不及对生物造成危害的阙值，故太赫兹波被认为不会对生物体造成有害的电离辐射。此外，人体内部含有大量水分，水是极性液体，可以相当程度上吸收太赫兹波。综上所述，太赫兹波对于生物体造成的损害时可以忽略的。

2 太赫兹波技术应用

2.1太赫兹波技术——太赫兹波成像原理

当前对于太赫兹波技术的应用分为太赫兹波光谱技术、太赫兹波成像技术、太

赫兹波通讯技术，分别针对于物质化学物理性质研究、多维度技术应用、以及纳米级特种通讯。本文着重叙述太赫兹成像技术。

目前，太赫兹成像技术的主要应用方向是安全检查成像和生物医学成像，并在太赫兹波雷达技术中得到应用，三者在部分专业领域具有差异性。

太赫兹成像与太赫兹光谱技术紧密相关。其中太赫兹时域光谱技术可以得到太赫兹脉冲的相位和振幅信息，通过对时间波形进行傅立叶变换后得到样本的系数和折射率。太赫兹成像太赫兹成像利用太赫兹射线照射样本，并经过适当的数字处理和频谱分析，得到目标物体的太赫兹电磁波图像。太赫兹光谱图像不仅包含物质的外观几何信息，而且还包含物质对太赫兹脉冲响应的理化信息。[3]

图3 一种太赫兹波成像系统

2.2太赫兹波成像技术应用方向

根据不同的技术需求，太赫兹波可以进行不同的成像方法，如THz时域逐点扫描图像、THz实时焦平面成像、THz计算机辅助断层、连续波成像及近场成像等。根据所用的激光源的不同，太赫兹成像技术分为连续THz成像和脉冲THz波成像。相关技术根据物质的不同形状得以运用。

3 太赫兹波光谱-成像技术应用

3.1安全检查应用

21世纪兴起的恐怖主义可在公众场合对使用枪械或爆炸物造成巨大经济损失和不利社会影响，因此，在重要场合进行安全检查是当前政府主要应对手段。目前。安全检查以X射线法与金属探测法为主，二者可能存在对生物体辐射伤害

大、无法针对目标物质定位等缺陷。太赫兹波技术的出现为安全检查提供了一种新型的探测识别方法。[2]

图4 安全检查领域中太赫兹成像技术效果

日常生活中出现的大多数包装物是非金属物质，太赫兹波对其具有穿透性。太赫兹波可以在不损伤被检测者的条件下，有效识别检测隐藏在遮蔽物下的危险物品。借助太赫兹成像技术，枪械、炸药、匕首等具有明显外形的物体可以被称现在人体准确部位上，辅助安检人员。此外，太赫兹成像可以识别出X射线无法识别的非金属材质危险物质，如陶瓷匕首、塑料炸药等新兴物质。与此同时，借助于太赫兹波的指纹特性，太赫兹光谱技术可以检测隐藏物质的具体成分，通过特征光谱将爆炸物、毒品等化学生物制剂从分子层面加以识别。综上所述，太赫兹安检技术将成像与理化分析结合，分析危险物质的具体外形与成分，提高了安全检查的可靠性。

得益于太赫兹波的强穿透性，以及其光谱能量低的特点，太赫兹波检测器可以被设计为固定或移动式机构，在公众场合提供大范围侦察预警。目前的太赫兹波检测器监测范围以到百米级别，同时不会收到恶劣天气的影响，保证检测器可以保证侦察预警的稳定性。

太赫案件具有快速实时的特点，识别时间通常控制在1～2s以内，远快于传统安检仪。从而达到了快速、安全、准确的效果。

3.2生物医学应用

医学影像技术是医学诊断水平发展的关键。近些年来，各类医学影像技术发展迅速，从X射线、CT、超声、核磁共振、正电子发射计算机断层（PET）等到SPECT/CT、PET/CT等。然而，现有技术仍然存在不足，例如MRI需要较强磁场，灵敏度较低等。太赫兹波作为一种无创性的成像源以及在成像方面的潜在优势，使其被广泛应用于医学影像中。

图5 生物医疗领域中太赫兹波成像技术效果

基于太赫兹波的光谱能量低的特点，它不会对生物体产生电离辐射。同时，太赫兹波对一生物组织中的物质含水量或化学成分具有高敏感度。由于不同的生物大分子的振动和转动能级不同，太赫兹波可依据其指纹特性产生不同信号的成像，以此辨别不同病理组织的差异。与此同时，太赫兹波空间分辨率较高，利用时域成像技术可以将样本的振幅和空间信息生成3D图像。这些特点似的太赫兹波在生物医学领域表现出巨大发展前景。[4]

现有的太赫兹生物成像应用主要分为离体组织成像、在体成像两大方面，以及石蜡包埋技术、冷冻成像技术、增强太赫兹波穿透性物质、内镜技术等其他进展。太赫兹波离体组织成像技术应用简便。太赫兹波对组织蛋白具有良好的感应性，因此被应用于与蛋白质异常相关的疾病检测与诊断中。同时，很多结晶材料在太赫兹波段有晶体结构特征光谱指纹区，使得太赫兹波可以在硬组织成像应用成为