太赫兹波的独特性质

1.3 太赫兹波的独特性质

目前，国际上对太赫兹辐射已达成如下共识，即太赫兹是一种新的、有很多独特优点的辐射源；太赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿领域，给技术创新、国民经济发展和国家安全提供了一个非常诱人的机遇。它之所以能够引起人们广泛的关注、有如此之多的应用，首先是因为物质的太赫兹光谱（包括透射谱和反射谱）包含着非常丰富的物理和化学信息，所以研究物质在该波段的光谱对于物质结构的探索具有重要意义；其次是因为太赫兹脉冲光源与传统光源相比具有很多独特的性质。其中最重要的是前四种特性，后三种特性都是基于前四种发展而来。

（1）瞬态性：太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒量级，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。目前，辐射强度测量的信噪比可以大于104，远远高于傅立叶变换红外光谱技术，而且其稳定性更好。

（2）宽带性：太赫兹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至几十太赫兹的范围，便于在大的范围里分析物质的光谱性质。

（3）相干性：太赫兹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效应（差频）产生。太赫兹相干测量技术能够直接测量出电场的振幅和相位，可以方便地提取样品的折射率、吸收系数，与利用Kramers-Kronig关系来提取材料光学常数的方法相比，大大简化了运算过程，提高了可靠性和精度。

（4）低能性：太赫兹光子的能量只有毫电子伏特，与X射线相比，不会因为电离而破坏被检测的物质。因此我们可以利用太赫兹做无损检测（毫米波、红外、超声技术也都具有这种优势，但是X－射线除外）。

（5）太赫兹辐射对于很多非极性物质，如电介质材料及塑料、纸箱、布料等包装材料有很强的穿透力, 可用来对已经包装的物品进行质检或者用于安全检查（红外技术，X－射线、超声技术也能实现这种功能）。

（6）大多数极性分子如水分子、氨分子等对太赫兹辐射有强烈的吸收，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。同时，许多极性大分子的振动能级和转动能级正好处于太赫兹频段，使太赫兹光谱技术在分析和研究大分子方面有广阔的应用前景。

（7）如图1-2所示，太赫兹成像技术与其他波段的成像技术相比，它所得到的探测图像的分辨率和景深都有明显的增加（超声、红外、X－射线技术也能提高图像分辨率，但是毫米波技术却没有明显的提高）。另外太赫兹技术还有许多独特的特性，如在非均匀的物质中有较少的散射，能够探测和测量水汽含量等等。

图1-2 太赫兹图象的图象分辨率和景深都有显著的提高

太赫兹光谱技术不仅信噪比高，能够迅速地对样品组成的细微变化作出分析和鉴别，而且太赫兹光谱技术是一种非接触测量技术，使它能够对半导体、电介质薄膜及体材料的物理信息进行快速准确的测量。以上这些特点决定了太赫兹技术在很多基础研究领域、工业应用领域、医学领域、军事领域及生物领域中有重要的应用前景。