太赫兹辐射的主要特征与应用

1.2太赫兹辐射的主要特征与应用

THz位于亚毫米波与远红外线之间，显然低端THz波具有微波辐射特性，高端THz波具有光波辐射特性，加上它是非离子化辐射和占有极宽波谱，它的应用前景是非常可观的。

首先THz具有很多独特的性质：

(1)黑体温度很低，室温下(3000K左右)。一般物体有热辐射，这一辐射大约对

应6THz。从宇宙大爆炸中产生的宇宙背景辐射有1/2都在光谱中的THz部分。

10倍)，不会THz光子有较低的量子能量(4mev@1THz，比x射线的光了弱6

在生物组织中引起光损伤及光化电离[6]。THz做信息载体比用可见光和近中红外光能量效率高得多[7]。

(2)从GHz到THz频段，许多有机分子表现出较强的吸收和色散特性，这是由

于分子旋转和震动的跃迁造成的。这种跃迁是一种特殊的标志，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，并使得THz波有类似指纹一样唯一性的特点[8-11]。THz波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光谱(100GHz--10THz)。

(3)THz辐射能以很小的衰减穿透如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等物质，因

此可用其探测低浓度极化气体，适用于控制污染。THz辐射可无损穿透墙壁、布料，使得其能在某些特殊领域发挥作用[12-13]。利用这一特点，结合断层扫描原理可以实现计算机层析成像，从而获得样品的三维信息，一个重要的应用就是THz三维断层扫描成像技术[14]。

(4)THz的时域频谱信噪比很高，在10G H—4THz频率范围内，THz时域光谱

(THz-TDS)的信噪比可以达到4

10了，非常适用于成像应用，而传统的傅立叶变换红外光谱(FTIR)的信噪比只有300左右。但当带宽增加到40THz时，THz-TDS的信噪比将显著下降[15-17]。

(5)带宽很宽(0.1-10THZ)，对人类而言是非常丰富的频率资源库。

(6)可形成很窄的脉冲(皮秒甚至飞秒级)，可以方便的对各种材料

(7)(包括液体、半导体、超导体、生物样品等)进行时间分辨的研究。

这些特性决定了THz波具有重要的学术价值和重大的应用前景：

（1）在无线通信方面，THz特别适合于宽带移动通信及空间通信，是下一代通信技术关注的一个重点[5,18]。国际通信联盟已指定0.12THz和0.22THz的频段分别用于下一代地面无线通信(移动电话)和卫星间通信。另外，在短距离内THz 波通信具有很强的抗干扰能力，可实现在局域战争中2-5km内的保密通信。2006年日本已经开发出0.12THz、1.5km的无线通信系统，进一步的发展必定进入0.3THz以上的范围。

（2）在雷达遥感探测方面，THz波能够实现比微波和毫米波更高的分辨率、更精确的定位和成像，在对军事目标进行侦察、识别及精确制导方面的应用有很大潜力[19-20]。同时因为有机生物大分子在THz频段都有特征吸收谱，所以THz 波也是利用雷达进行遥感探测并预警生化武器威胁的理想工具。目前美国已经建立了机载0.225THz军用遥感雷达系统，并成功进行了实验。

（3）在反恐缉毒等国土安全方面，THz波谱成像技术有广泛的应用，包括远距离探测可疑人员是否携带危险物品;从建筑物外部获取墙内信息；快速检侧信件和包裹内可能藏匿的毒品和炭疽病毒等有害物质[21]。美国橡树岭国家实验室和田纳西大学合作己开展了基于THz技术的“穿墙计划”。

（4）在物理学、化学、生物医学、环境科学、天文学和材料科学等学科的基础研究方面，THz波可作为一种特殊而有效的探针，对物质内部进行深入研究，提供关于物质的物理、化学及生物成分、波谱特性、分子、量子互作用过程等重要信息；也是生物分子探测极为重要的新型研究手段[22-25]。特别是强THz可能诱发物质内部非线性动力过程，利用THz波将使人们重新认识物理、化学和生物学。THz波段占有宇宙空间近一半的光子能量，可以为天文学研究提供恒星形成、星系演化、宇宙学等各个层次丰富的天体信息。为此，欧美日将合作建设全球最大射电天文亚毫米波干涉阵列(ALMA计划)。在我国未来的太空研究和探月计划中，THz波也可以提供包括星球表面特性和极区辐射特性的诸多重要信息。

综上所述，THz科学不仅是科学技术发展中的重要基础问题，又是国家新一代信息产业、国家安全以及基础科学发展的重大需求，对国民经济以及国防建设具有重大的意义。与此相适应，世界各国都对THz波的研究给予极大的关注，并部署了多个重大的国家级以及国际合作研究计划，取得了一些突破性的成果有

些已具有实用价值。另一方面，国内在THz研究的理论和实验方面也取得了一些重要成果，在国际上产生了一定的影响，为我国THz技术的研究和发展打下了扎实的基础[26-31]。