太赫兹简介

太赫兹简介
1、什么是太赫兹
THz波（太赫兹波）或称为THz射线（太赫兹射线），在电子学领域，被称为毫米波和亚毫米波,而在光学领域则被称为远红外射线。

太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长大概在0.03mm到3mm之间，介于微波与红外线之间，位于电子学和光学的交界处。

2、太赫兹的特性
（1）低能性：频率为1THz的电磁波的光子能量大约只有4meV,约为X射线光子能量的1/106，因此不会对生物组织产生有害的电离，适合于对生物组织进行活体检查；还可以利用THz时域光谱技术研究酶的特性，进行DNA鉴别等。

（2）相干性：THz波具有很高的时间和空间相干性。

THz辐射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产生的，具有很高的时间和空间相干性。

通过测量脉冲相干太赫兹电磁波信号的时域波形，可以得到包括振幅和相位的光谱数据，直接给出吸收谱和色散谱，或复介电常数、复电导率。

这一特点在研究材料的瞬态相干动力学问题时具有极大的优势。

（3）瞬态性：THz波的典型脉宽在亚皮秒量级，不但可以进行亚皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，而且通过取样测量技术，能够有效的防止背景辐射噪音的干扰。

目前，THz辐射强度测量的信噪比可大于1010。

（4）透射性：THz辐射对于很多非极性物质，如电介质材料、塑料、纸箱、布料等包装材料有很强的穿透能力，可以用来安全检查和反恐的探测。

(5)THz波段中包含了大多数分子的转动或振动能阶，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。

这些特性是与有机分子的转动和振动能级相联系的偶极跃迁造成的。

利用THz射线有可能通过特有的光谱特征识别有机分子，就像用指纹识别不同的人一样，这在无线电天文、遥感、医学影像有很大的应用前景。

3、太赫兹的发射
太赫兹波的发射和探测技术是太赫兹波科学技术研究的关键。

传统上THz波段辐射方式有两种方式，一种是从微波向高频发展，另外一种是由激光向低频发展来获得的。

(1)光电导产生THz辐射的方法：金属电极和光电半导体材料形成天线，先在两个电极之间施加偏置电压，这时在该区域的半导体表面将产生顺生的自由载流子，它们会在偏置电场中加速运动，并将储存的静电势能以电磁脉冲的形式释放出来。

当激发光脉冲的脉宽在飞秒尺度时，它激发的电磁脉冲是太赫兹脉冲。

(2)光整流产生THz辐射的方法：光整流过程是一个二阶非线性过程，当光场与具有二阶非线性性质的介质(如LiNb03、LiTa03、ZeTe等)相互作用时，由具有同样频率的两个光子差频得到一个与光强度成正比的直流电场。

如果现实光整流过程的光场是以脉冲形式存在的，光整流过程所产生的直流电场就是一个与光脉冲的包络有关的时间函
数。

这将在介质中产生一个交变的电场，从而发射电磁波。

当光脉冲的脉宽在皮秒或亚皮秒尺度时，辐射电磁脉冲的脉宽也在该数量级，而其频谱即处于太赫兹波段。

(3)其它的一些产生THz辐射的方法：比如反波管，气体激光器，半导体激光器，同步辐射和自由电子激光器等等。

发射源的特点和局限性：自由电子激光和气体激光可以发射相对较强的太赫兹辐射，并且可以覆盖较宽的频率，但它们的体积大，功耗比较高；电子学的发射源可以获得较高的输出功率，而且体积相对较小，但只能发射低频的电磁波；量子级联激光器可输出10mW数量级的太赫兹，但它需要工作在低温环境下而且只能工作在高频波段；脉冲太赫兹发射源可以覆盖几乎整个太赫兹波谱范围，而且可以在常温工作模式下获得很高的信噪比，但它需要昂贵的飞秒脉冲激光器，而且平均功率较低。

4、太赫兹的探测
(1)光导天线法是太赫兹探测最早采用的方法。

它的检测装置与发射装置是相似的，只是在检测装置的天线电极之间没有施加偏置电压，而是连接了一个电流计测量由太赫兹电场驱动的电流。

我们可以近似的认为由该探测脉冲激发的自由载流子受到一个恒定电场的作用，丛而产生可以测量的电流。

探测脉冲会对太赫兹脉冲的电场进行取样并记录下太赫兹脉冲的时域波形。

(2)电光检测法可以看作是光整流的逆过程。

在电光检测中，线偏振的探测光与太赫兹辐射共线的通过具有光
电效应的晶体。

太赫兹辐射的电场改变了晶体的折射系数，从而使晶体具有双折射的性质。

因此线偏振的探测光与太赫兹电场发生作用后，其偏振性质变为椭圆偏振。

测量探测光的椭偏度即能获得太赫兹辐射的电场强度，由于太赫兹辐射和探测光都具有脉冲的形式，而且在实验中探测光的脉冲宽度远短于太赫兹脉冲的振荡周期，改变探测脉冲和太赫兹脉冲之间的时间关系，就可以利用探测脉冲的偏振变化将太赫兹辐射的时间波形描述出来。

(3)其它的太赫兹探测器
热辐射计，混频器和差频探测等等探测器的特点和局限性：光学和光电子学的探测器环境噪声影响较小，可进行相干测量，但适用范围较窄；量热式的辐射功率计范围较大，但灵敏度较低，而且易受环境影响；电子学的混频器灵敏度较高，但结构相对复杂。

5、太赫兹的应用
（1）生物医学
太赫兹系统在医学领域有着广泛的应用空间。

由于许多蛋白质和DNA大分子的集体振动模式都是在太赫兹区，利用太赫兹TDS系统可以研究生物分子。

利用太赫兹波直接检测基因物质的结合情况，可以实现无标记、高效率的基因探测技术和基因芯片检测手段，从而避免在基因检测中因使用荧光标记DNA链带来的复杂性，提高检测效率。

采用反射型系统进行太赫兹断层扫描成像，可用于皮肤癌及其他组织表层病变的早期诊断，还有可能在外科手术中用于实时检查癌组织切除状况，使患者避免复发或切除健康组织的危险，如图1.2所示。

2000
年，人首次利用脉冲太赫兹研究了DNA、牛血清和胶原质三种生物分子的太赫兹光谱吸收，并且取得了与比尔一兰波特定律一致的结论。

总之，太赫兹技术可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有很大的应用前景。

此外，太赫兹技术还可用于粮食选种、优良菌种选择等方面。

（2）公共安全
由于THz射线具有的特殊性质使其可以很容易穿过介电材料，在红外和可见光中不透明的陶瓷塑料纸，织物等非极化物质对THz波的吸收非常小，THz成像系统能够以必要的空间分辨率穿透衣物，以检测隐藏的炸药、武器(陶瓷手枪、陶瓷匕首等非金属武器)、生化武器和毒品，又不对人体健康产生损害。

（3）成像技术
太赫兹波成像技术相对于可见光和x射线有非常强的互补特征，其穿透能力介于两者之间，又不会对人体或生物组织造成伤害。

太赫兹波成像技术的信息量大，每一像源对应一个太赫兹时域谱，通过对时域谱进行傅里叶变换又可得到每一点的太赫兹频率响应谱，既可以获得物体的形状与内部结构信息，又可以获得物体材料的成分信息。

自太赫兹波被首次用于成像以来，各种太赫兹成像技术相继问世，如太赫兹近场成像技术，太赫兹层析成像技术，时域太赫兹逆向变换成像技术等。

（4）天文天体
随着太赫兹技术的发展，天文学家和天体物理学家对太赫兹波段
天文观测的兴趣日益增加。

天体和星际辐射包含了星际形成过程和星际介质化学性质的丰富信息，而太赫兹波段的观测要比其他波段有更低的背景噪声。

目前，世界上已建造了多台用于研究银河系星际云中复杂物理状态及结构的太赫兹波段的射电望远镜。

如德国马·普射电所和美国亚利桑那州天文台合作研制了一台10m直径的亚毫米波射电望远镜。

天文学是太赫兹技术的另一个非常重要的应用领域。

（5）网络通信与雷达技术
太赫兹波的频率是目前手机通信频率的l000倍左右，利用太赫兹波进行无线电通信，可以极大地增宽无线电通信网络的频带，使无线移动高速信息网络成为现实。

太赫兹波是很好的宽带信息载体，比微波能做到的讯道数多得多，特别适合于卫星间及局域网的宽带移动通讯，因此在网络通信方面有很好的应用前景。

从技术上，太赫兹雷达技术可以探测比微波雷达更小的目标和更准确的定位，并且有更高的分辨率和更强的保密性，有望在军事装备和国家安全等方面发挥巨大的作用。