太赫兹波科学与技术
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⑤ THz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 ,因而可用来对已经包装的物品进行质检或者用于 安全检查 [11〗;
太赫兹时域光谱 ( THz - TDS) 技术是 20 世纪 80
年代由 AT&T、Bell实验室和 IBM 的 T. J. W atson 研究 中心发展起来的 ,是最新的太赫兹技术 [1 ] 。 THz - TDS 技术具有很多优点 ,如大带宽、高信噪比、可在室温下工 作等 ,这些优点促成了 THz - TDS技术越来越多的应 用。目前 THz - TDS技术主要应用在研究材料在 THz 波段的性质及物理现象 ,此外也用于 THz成像系统。
Keywords: Terahertz wave Generation of terahertz wave Detection of terahertz wave Imaging
0 引言
的手段 ,因此 20世纪末对于太赫兹波段的研究取得了 很大的进展 。尽管目前太赫兹波科学技术还远未成
太赫兹波 (又称 THz波 、T射线 )通常是指频率在 0. 1～10 THz ( 1 THz = 1012 Hz)范围内的电磁辐射 ,在 电磁波谱上位于微波和红外线之间 , 如图 1 所示 [5〗。 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
tions possess wide p rospects in imaging, medical diagnosis, security inspection, information communication, astronomy and m ilitary research,
etc. The unique characteristics and the app licable areas of terahertz wave are generally introduced, and the mechanism and methodology of gen2
20世纪 90年代以后 ,激光技术 、量子阱技术和化合物 点 ;
半导体等技术的发展 ,为太赫兹辐射提供了稳定 、可靠 的激发光源 。由超快激光技术发展出来的太赫兹时域
② THz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 ,
光谱技术 ( THz - TDS)为太赫兹波的研究提供了有效 便于在大范围里分析物质的光谱性质 ;
太赫兹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 ,太赫兹处于宏观经典
理论向微观量子理论的过渡区 。由于其所处的特殊位
置 ,太赫兹波表现出一系列不同于其他电磁辐射的特
殊性质 :
① THz脉冲的典型脉宽在亚皮秒量级 ,不但可以
关键词 : 太赫兹波 太赫兹波的产生 太赫兹波的探测 成像
中图分类号 : O434. 3 文献标识码 : A
Abstract: Terahertz wave is an electromagnetic radiation area with significant scientific value, but has not been fully developed. Its app lica2
《自动化仪表 》第 27卷第 3期 2006年 3月
1
太赫兹波科学与技术 周泽魁 ,等
③ THz波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效应产生 。与传统的光学方法仅 仅测量出某一频率光的强度不同 , THz波的时域光谱 技术 ( THz - TDS) 直接测量 THz波的时域电场 ,通过 傅立叶变换给出 THz波的振幅和相位 。因此 ,无需使 用 Kramers - Kronig色散关系 ,就可以提供介电常数的 实部和虚部 。这使测得的与 THz波相互作用的介质 折射率和吸收系数变得更精确 ;
THz - TDS技术利用 THz脉冲透射样本或者从样 本上反射 ,测量由此产生的 THz时域电场 ,通过傅立叶 变换获得频域上幅度和相位的变化量 ,进而得到样本的 信息 [2〗。典型的 THz时域透射光谱系统如图 2所示。
图 2 THz时域光谱系统 Fig. 2 THz - TDS system
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 将是未来 THz - TDS技术发展的主要方向 。 2. 2 THz成像技术 [19〗
THz波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 [ 。 3～4〗 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 ; ④ 利用基尔霍夫移动的 T射线反射成像技术 ; ⑤ 动态孔径和暗场 T射线成像技术 ; ⑥ T射线计算机层析成像技术 ,简称 T射线 CT; ⑦ T射线衍射层析成像技术 ,简称 T射线 DT; ⑧ T射线显微镜成像技术 , 利用近场技术等手 段 ,分辨率可以达到微米 ; ⑨ 50～200 m 的 T射线成像技术 。
3 太赫兹波的应用领域
THz时域光谱技术和 THz成像技术在很多基础研
2
PROCESS AUTOM AT IO N INSTRUM ENTAT IO N Vol. 27 No. 3 M arch 2006
太赫兹波科学与技术 周泽魁 ,等
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
eration and detection of terahertz wave are reviewed. The develop ing trend of terahertz technology is briefly discussed. It is said that terahertz
wave is one of ten technologies influencing human future in 21 century, and it will mature gradually and be app lied widely in com ing decades.
太赫兹波科学与技术 周泽魁 ,等
太赫兹波科学与技术
Sc ie nce and Te chno lo gy o f Te rahe rtz W ave
周泽魁 张同军 张光新
(浙江大学信息科学与工程学院自动化仪表研究所 ,杭州 310027)
摘 要 : 太赫兹波是一个非常有科学价值但尚未被完全认识和利用的电磁辐射区域 ,它在成像 、医学诊断 、安全检查 、信息通信 、空间 天文学乃至军事等领域都有着广阔的应用前景 。从总体上介绍了太赫兹波的独特性质 、应用领域 ,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 在未来的数十年间逐渐成熟并得到广泛的应用 。
⑥ 凝聚态体系的声子吸收很多位于 THz波段 ,自 由电子对 THz波也有很强的吸收和散射 ,太赫兹时域 光谱技术是一个研究凝聚态材料中物理过程的很好的 工具 [6〗。特别是许多有机分子在 THz波段呈现出强烈 的吸收和色散特性 ,不同分子对于 THz波的吸收和色散 特性是与分子的振动和转动能级有关的偶极跃迁相联 系的 ,而分子的偶极跃迁犹如人的指纹 ,是千差万别的 , 因此可以通过光谱分析实现分子的识别 ,就如同识别人 的指纹一样。 THz光谱通过介电函数的实部和虚部来 描述分子的转动和振动 [9～10〗。大多数极性分子如水分 子、氨分子等对 THz辐射有强烈的吸收 ,可以通过分析 它们的特征谱研究物质成分或者进行产品质量控制 [1 ] 。
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 ) , 因而其空间分辨率很高 ; THz脉冲很短 (飞秒级 ) ,因 而 THz辐射又具有很高的时间分辨率 。 THz时域光谱 技术和 THz成像技术就构成了 THz应用的两个主要 关键技术 。 2. 1 THz时域光谱技术
图 1 电磁波谱 Fig. 1 Electromagnetic spectrum
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 , 而且通过取样测量技术 ,能够有效地抑制背景辐射噪
太赫兹波段位于电子学与光子学的交界处 ,用传 音的干扰 ,得到具有很高信噪比 (大于 )太赫兹电磁波 统的电子学和光学方法均难以产生和检测太赫兹波 。 时域谱 ,并且具有对黑体辐射或者热背景不敏感的优
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用 , 因此 THz波成像技术已经成为医学检查的一个有效wenku.baidu.com工具 。癌变组织和正常组织的 THz波具有不同的振 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 构已经实现了对皮肤癌 、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
THz波可以穿透衣物 、纸盒 、塑料等电介质 ,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 ,特别适合用作卫星间 、星 地间及局域网的宽带无线通信 。
由于物质的 THz光谱具有指纹特性 ,因而可以运 用 THz时域光谱技术检测包裹或信件中的毒品 、爆炸 物以及生物化学危险品等 [12〗。并且可实现非接触 、非 破坏性的探测 。美国 911 事件后 ,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工 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 。
熟 ,但是其重要的理论研究价值和广泛的应用前景已 经引起了学术界的普遍关注和极大兴趣 ,对于该波段 的研究已成为 21世纪科学研究最前沿的领域之一 。
1 太赫兹波的独特性质
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 ”。
④ THz波的光子能量较低 , 1 THz频率处的光子 能量大约只有 4 mV ,比 X射线的光子能量弱 107 ～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 [ 。 7～8〗 THz光子能量约为可见光 ,用 THz做信息载 体比用可见光和近中红外光能量效率高得多 ;
太赫兹时域光谱 ( THz - TDS) 技术是 20 世纪 80
年代由 AT&T、Bell实验室和 IBM 的 T. J. W atson 研究 中心发展起来的 ,是最新的太赫兹技术 [1 ] 。 THz - TDS 技术具有很多优点 ,如大带宽、高信噪比、可在室温下工 作等 ,这些优点促成了 THz - TDS技术越来越多的应 用。目前 THz - TDS技术主要应用在研究材料在 THz 波段的性质及物理现象 ,此外也用于 THz成像系统。
Keywords: Terahertz wave Generation of terahertz wave Detection of terahertz wave Imaging
0 引言
的手段 ,因此 20世纪末对于太赫兹波段的研究取得了 很大的进展 。尽管目前太赫兹波科学技术还远未成
太赫兹波 (又称 THz波 、T射线 )通常是指频率在 0. 1～10 THz ( 1 THz = 1012 Hz)范围内的电磁辐射 ,在 电磁波谱上位于微波和红外线之间 , 如图 1 所示 [5〗。 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
tions possess wide p rospects in imaging, medical diagnosis, security inspection, information communication, astronomy and m ilitary research,
etc. The unique characteristics and the app licable areas of terahertz wave are generally introduced, and the mechanism and methodology of gen2
20世纪 90年代以后 ,激光技术 、量子阱技术和化合物 点 ;
半导体等技术的发展 ,为太赫兹辐射提供了稳定 、可靠 的激发光源 。由超快激光技术发展出来的太赫兹时域
② THz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 ,
光谱技术 ( THz - TDS)为太赫兹波的研究提供了有效 便于在大范围里分析物质的光谱性质 ;
太赫兹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 ,太赫兹处于宏观经典
理论向微观量子理论的过渡区 。由于其所处的特殊位
置 ,太赫兹波表现出一系列不同于其他电磁辐射的特
殊性质 :
① THz脉冲的典型脉宽在亚皮秒量级 ,不但可以
关键词 : 太赫兹波 太赫兹波的产生 太赫兹波的探测 成像
中图分类号 : O434. 3 文献标识码 : A
Abstract: Terahertz wave is an electromagnetic radiation area with significant scientific value, but has not been fully developed. Its app lica2
《自动化仪表 》第 27卷第 3期 2006年 3月
1
太赫兹波科学与技术 周泽魁 ,等
③ THz波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效应产生 。与传统的光学方法仅 仅测量出某一频率光的强度不同 , THz波的时域光谱 技术 ( THz - TDS) 直接测量 THz波的时域电场 ,通过 傅立叶变换给出 THz波的振幅和相位 。因此 ,无需使 用 Kramers - Kronig色散关系 ,就可以提供介电常数的 实部和虚部 。这使测得的与 THz波相互作用的介质 折射率和吸收系数变得更精确 ;
THz - TDS技术利用 THz脉冲透射样本或者从样 本上反射 ,测量由此产生的 THz时域电场 ,通过傅立叶 变换获得频域上幅度和相位的变化量 ,进而得到样本的 信息 [2〗。典型的 THz时域透射光谱系统如图 2所示。
图 2 THz时域光谱系统 Fig. 2 THz - TDS system
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 将是未来 THz - TDS技术发展的主要方向 。 2. 2 THz成像技术 [19〗
THz波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 [ 。 3～4〗 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 ; ④ 利用基尔霍夫移动的 T射线反射成像技术 ; ⑤ 动态孔径和暗场 T射线成像技术 ; ⑥ T射线计算机层析成像技术 ,简称 T射线 CT; ⑦ T射线衍射层析成像技术 ,简称 T射线 DT; ⑧ T射线显微镜成像技术 , 利用近场技术等手 段 ,分辨率可以达到微米 ; ⑨ 50～200 m 的 T射线成像技术 。
3 太赫兹波的应用领域
THz时域光谱技术和 THz成像技术在很多基础研
2
PROCESS AUTOM AT IO N INSTRUM ENTAT IO N Vol. 27 No. 3 M arch 2006
太赫兹波科学与技术 周泽魁 ,等
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
eration and detection of terahertz wave are reviewed. The develop ing trend of terahertz technology is briefly discussed. It is said that terahertz
wave is one of ten technologies influencing human future in 21 century, and it will mature gradually and be app lied widely in com ing decades.
太赫兹波科学与技术 周泽魁 ,等
太赫兹波科学与技术
Sc ie nce and Te chno lo gy o f Te rahe rtz W ave
周泽魁 张同军 张光新
(浙江大学信息科学与工程学院自动化仪表研究所 ,杭州 310027)
摘 要 : 太赫兹波是一个非常有科学价值但尚未被完全认识和利用的电磁辐射区域 ,它在成像 、医学诊断 、安全检查 、信息通信 、空间 天文学乃至军事等领域都有着广阔的应用前景 。从总体上介绍了太赫兹波的独特性质 、应用领域 ,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 在未来的数十年间逐渐成熟并得到广泛的应用 。
⑥ 凝聚态体系的声子吸收很多位于 THz波段 ,自 由电子对 THz波也有很强的吸收和散射 ,太赫兹时域 光谱技术是一个研究凝聚态材料中物理过程的很好的 工具 [6〗。特别是许多有机分子在 THz波段呈现出强烈 的吸收和色散特性 ,不同分子对于 THz波的吸收和色散 特性是与分子的振动和转动能级有关的偶极跃迁相联 系的 ,而分子的偶极跃迁犹如人的指纹 ,是千差万别的 , 因此可以通过光谱分析实现分子的识别 ,就如同识别人 的指纹一样。 THz光谱通过介电函数的实部和虚部来 描述分子的转动和振动 [9～10〗。大多数极性分子如水分 子、氨分子等对 THz辐射有强烈的吸收 ,可以通过分析 它们的特征谱研究物质成分或者进行产品质量控制 [1 ] 。
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 ) , 因而其空间分辨率很高 ; THz脉冲很短 (飞秒级 ) ,因 而 THz辐射又具有很高的时间分辨率 。 THz时域光谱 技术和 THz成像技术就构成了 THz应用的两个主要 关键技术 。 2. 1 THz时域光谱技术
图 1 电磁波谱 Fig. 1 Electromagnetic spectrum
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 , 而且通过取样测量技术 ,能够有效地抑制背景辐射噪
太赫兹波段位于电子学与光子学的交界处 ,用传 音的干扰 ,得到具有很高信噪比 (大于 )太赫兹电磁波 统的电子学和光学方法均难以产生和检测太赫兹波 。 时域谱 ,并且具有对黑体辐射或者热背景不敏感的优
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用 , 因此 THz波成像技术已经成为医学检查的一个有效wenku.baidu.com工具 。癌变组织和正常组织的 THz波具有不同的振 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 构已经实现了对皮肤癌 、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
THz波可以穿透衣物 、纸盒 、塑料等电介质 ,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 ,特别适合用作卫星间 、星 地间及局域网的宽带无线通信 。
由于物质的 THz光谱具有指纹特性 ,因而可以运 用 THz时域光谱技术检测包裹或信件中的毒品 、爆炸 物以及生物化学危险品等 [12〗。并且可实现非接触 、非 破坏性的探测 。美国 911 事件后 ,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工 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 。
熟 ,但是其重要的理论研究价值和广泛的应用前景已 经引起了学术界的普遍关注和极大兴趣 ,对于该波段 的研究已成为 21世纪科学研究最前沿的领域之一 。
1 太赫兹波的独特性质
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 ”。
④ THz波的光子能量较低 , 1 THz频率处的光子 能量大约只有 4 mV ,比 X射线的光子能量弱 107 ～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 [ 。 7～8〗 THz光子能量约为可见光 ,用 THz做信息载 体比用可见光和近中红外光能量效率高得多 ;