太赫兹

太赫兹
THz波（太赫兹波）或称为THz射线（太赫兹射线）是从上个世纪80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科学家们将统称为远红外射线。

太赫兹波是指频率在0.3THz到3THz范围的电磁波，波长大概在0.1mm(100um)到1mm范围，介于微波与红外之间。

随着80年代一系列新技术、新材料的发展，特别是超快技术的发展，使得获得宽带稳定的脉冲THz源成为一种准常规技术，THz技术得以迅速发展，并在实际范围内掀起一股THz研究热潮。

人们关注THz技术的原因是THz射线普遍存在，是人们认识自然界的有效线索和工具。

但是相对于其他波段的电磁波比如红外和微波，对它的认识和应用非常匮乏。

其次，THz射线有它自身的特点。

一、是THz 脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但可以方便地进行时间分辩的研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制远红外背景噪声的干扰。

目前，脉冲THz 辐射通常只有较低的THz 射线平均功率，但是由于THz 脉冲有很高的峰值功率，并且采用相干探测技术获得的是THz 脉冲的实时功率而不是平均功率，因此有很高的信噪比。

二、是THz 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 直至几十THz 的范围，许多生物大分子的振动和转动能级，电介质、半导体材料、超导材料、薄膜材料等的声子振动能级落在THz 波段范围。

因此THz 时域光谱技术作为探测材料在THz 波段信息的一种有效的手段，非常适合于测量材料吸收光谱，可用于进行定性鉴别的工作。

三、THz 光子的能量低，只有几毫电子伏特，因此不容易破坏被检测物质。

四、许多的非金属非极性材料对THz 射线的吸收较小，因此结合相应的技术，使得探测材料内部信息成为可能。

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。

THz分为宽带和窄带THz波，产生宽带波的方法有光整流法和光电导天线法
等。

窄带太赫兹波的产生方法主要有光学混频产生TH z辐射,加速电子产生TH z辐射，光参量转换产生TH z辐射等。

可见，相比较宽带TH z波而言,产生窄带TH z波的方法更加广泛。

太赫兹辐射系统的性能取决于三个因素:光导体、天线的几何结构和泵浦激光的脉冲宽度。

光导体是产生TH z辐射的关键部件,对于性能良好的光导体来说,它应该具有载流子寿命极短、载流子迁移率高以及介质耐击穿强度大等特点。

人们对THz技术感兴趣的基本动机, 是希望借助于THz电磁波得到被研究对象在其它电磁波频段上获取不到的信息, 以便更好地对所研究的对象进行分析、辨识和决策。

①天文领域应用：
THz波最早的研究和应用是在天文学方面, 是射电天文学极其重要的频段。

对于宇宙背景辐射的研究表明, 在可观测的星系辐射中, 来自低温的宇宙尘埃、气体星云的波辐射占相当大的比例, 观测和分析这些THz波段的辐射是天文学家研究宇宙的一个重要手段。

②安检领域应用： THz射线可以穿透大多数干燥、非金属和非极性物质,而极性物质如水对THz波段有强烈的吸收。

如探测纸或塑料等包装内的物体、探测生物体的含水量或病变、探测包裹内的危险物品等。

机场安检所装备的常规成像探测装置对塑料炸弹等恐怖器材不具备有效的监查功能, 所采用的辅助检查措施又因其效率和准确性等方面的原因常产生不必要的麻烦, 而THz成像探测技术即可在这些场合发挥作用。

在0. 2THz的电磁辐射照射下, 皮包或报纸将变得透明, 可以清晰分辨出被其包裹的刀具、塑料光盘和钢笔等物件。

THz电磁波可以穿过衣服和皮肤, 透视整个人体, 但是它不会像X射线一样对人体构成伤害。

利用THz电磁波可以检查机场通关的旅客与行李, 检查邮件中是否藏有毒品、炸弹等违禁物品。

③THz雷达
太赫兹波技术在军事上有很强的军事应用前景, 对国防和国家安全具有重要的应用价值。

THz雷达技术可以探测比微波雷达更小的目标和实现更精确的定位, 具有更高的分辨率和更强的保密性, 是未来高精度雷达的发展方向。

④THz在生物医学中的应用
THz光谱与成像技术在生命科学和医学诊断领域有可能超越现有的成像技术, 是研究树木年代学、植物中水输运过程、选种和病理学等的有利工具。

氨基酸和蛋白质等生物大分子的无标志识别已经引起了太赫兹领域专家的高度重视, 基于对蛋白质及基因特性等的研究, 可建立起THz生物分子诊断技术, 从而极大推动分子生物学的发展, 在医疗及药品的研制鉴定方面具有很好的应用前景。

⑤THz通信
THz波介于微波与远红外光之间, 处于电子学向光子学的过渡领域, 它集成了微波通信与光通信的优点, 现有通信手段相比, THz波表现出了一些特有的优良性质。

与微波通信相比:THz通信传输的容量大,THz波的频段比微波通信高出l-4个数量级, 可提供高达10Gb/s的无线传输速率, 比当前的超宽带技术快几百甚至上千倍; THz波束更窄, 方向性更好, 可以探测更小的目标以及更精确地定位; THz波具有更好的保密性及抗干扰能力; 由于THz波波长相对更短, 在完成同样功能的情况下, 天线的尺寸可以做得更小, 其他的系统结构也可以做得更加简单、经济。

与光通信相比: THz光子能量低, 大概是光子能量的1/40, 能量效率更高;THz波具有很好的穿透沙尘、烟雾的能力, 可以在大风、沙尘以及浓烟等恶劣环境下进行正常通信工作。

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。

鉴于THz射线的特点，必将给通信、雷达、天文、医学成像、生物化学物品鉴定、材料学、安全检查等领域带来深远的影响，进而改变人们的生产生活。