太赫兹行业应用简介机场安检无线通信

太赫兹行业应用简介
杭州天鉴光电研发部
机场安检
自从2001年在美国发生了恐怖袭击，各国都加强了安检并采取了多种安检措施。

对于能消除或减少各种威胁同时保证个人自由以及贸易的畅通的安检方式的需求在持续增强，政府组织正逐渐实施新的举措来解决存在的不足。

安检的焦点在于生物和化学物品（C/B）的探测,行李检测，爆炸物品检测，人和邮件检测。

最近几年出现了一种广泛宣传的新兴光电安检技术——太赫兹。

太赫兹光有无线电波和可见光的一些特点，它能贯穿许多不导电物质，但是与X光不同的是太赫兹光是非电离光，其光子能量很低（1THz的辐射只有4.14meV）。

激光技术产生的短脉冲能形成类雷达的三维图像。

这点很重要，因为许多物质在太赫兹频率下有独特的分子间振动，这些振动可以在分子水平上鉴别他们。

太赫兹成像有四个关键特性让他成为潜在的用于安检的强大技术：
1.二维成像—材料在太赫兹波长下的吸收率与反射率与他们在可见光和X光下不同：织物，纸，卡片在太赫兹成像中是透明的，而塑料，陶瓷材料却是不看见的。

2.高分辨率的3D成像—用于太赫兹三维成像的极短的飞秒脉冲。

例如，微量的粉状物或者信封中的一张纸都能被辨别出来。

3.光谱仪—这使不同化学物质的特殊信号能够被探测—即使被包装密封或者隐藏在布料中能检测化学药剂，爆炸物等物品。

）。

4.安全性—太赫兹辐射是非电离的，能量很低（W
信封中的一张写了字母的纸的太赫兹三维图像
无线通信
备选1 太赫兹（THz）技术引起了学术界和工业界的广泛兴趣，自然是由于太赫兹波的一系列引人关注的特点，包括上百个GHz可用带宽。

在通信领域，随着毫米波通信系统的成熟，研究的焦点自然地转移到太赫兹波段。

根据香农原理，太赫兹的宽频带可以用于Tb/s 的无线通信系统。

这里可以产生许多新的应用，例如360°立体显示电话，Tb/s的文件无线传输。

所有的这些应用都带来更高质量和更好的用户体验。

尽管太赫兹提供极宽的带宽，但太赫兹波的短波长以及其在大气中的高吸收率决定了它的路径损耗特别大。

而且，有效输出能量相比低频带波要低。

这些特点将会把太赫兹无线网络的覆盖范围限制在几十米或者更
小。

因而太赫兹通信只能用于短距离。

因为固有的带宽特性，利用光子产生并调制太赫兹波的技术是最有效且最简单的方式，并且允许我们用光纤实现太赫兹波的长距离传输。

这意味着光纤通信也能用于太赫兹无线通信系统。

利用短距离无线通信和光纤网络通信，我们能实现的太赫兹无线通信系统
一个是室内无线通信网络能提供Gbit 通信容量因而让用户在家里就能体验到高质量的多媒体服务。

另一个是下载基点让用户快速下载超大文件比如一秒之内下载一部HD 视频。

让我们想想下你能在20~5秒之内以10~40Gbps 的速度把一部蓝光电影（25GB ）下载到你的智能手机里，这是一个在未来可以想象得到的场景。

备选2 在过去的25年里，无线短距离通信系统带宽每 18个月增加一倍。

未来的10年内无线通信带宽将达到15Gbps 。

……..
医疗成像
自从1895年William Roentgen 发现X 光以来，医生已经使用X 光诊断人体内脏器官疾病达数十年。

X 光的出现带来了医疗诊断技术的革命，上世纪70年代计算机X 光断层扫描（CT ），核磁共振成像(MRI)，超声波诊断技术的出现则成为诊断技术革新的巅峰。

进入21世纪更多的成像技术被提出，特别是光相干层析技术（OCT ）用于视网膜诊断成为一项重要的医疗技术。

OCT 使用的光处于太赫兹波段，太赫兹成像和光谱技术正在快速发展。

太赫兹光有许多优点使它适合用于医疗诊断。

首先，太赫兹波是一种很安全的电磁波，其光子能量很低（1THz 的辐射只有4.14meV ）.太赫兹辐射频率（1210Hz ）比X 光（2010Hz ）要低得多。

其频率不足以引起生物分子的损伤，而在医学治疗过程中照射的X 光对人体有巨大的伤害，据统计目前2%的癌症患者是由于在医疗过程中照射的X 光以及CT 等设备引起的，基于太赫兹技术的医疗设备能将这种伤害降低到100万倍。

其次，太赫兹成像利用的光处于0.1~3THz 波段，对应波长为3~100m μ。

相比组织中的散射机构，其波长要大的多。

因而对比其他短波长的探测光，太赫兹辐射的散射效应要小得多。

此外m μ级的波长能提供毫米级的分辨率，典型的空间分辨率可以达到横向250m μ纵向20m μ。

第三，太赫兹成像是利用相干技术记录太赫兹波的瞬时电场，能同时获得振幅和相位信息，瞬时波形能通过远场傅里叶变换为能谱图。

这样就能精确测量样品的折射率和吸收系数。

宽带的检测允许获得宽光谱的太赫兹信息，能提供光谱以及潜在的在其他诊断模式中没有发现的诊断信息。

太赫兹成像是利用来自样品反射的太赫兹脉冲的时域技术，因而可以获得样品的深度信息。

更重
要的是，因为利用宽带获得的短的相干时间能有效的消除背景噪声，所以太赫兹脉冲成像技术有很高的信噪比。

高信噪比允许微小的折射率变化被探测和成像。

太赫兹成像在医疗诊断方面的应用是基于太赫兹辐射与不同的生物物质（例如水，蛋白质，脂肪）作用有不同的图像信息。

水和蛋白质是生物组织的主要成分，大多数疾病都伴随着水成分和蛋白质结构的变化。

水对太赫兹波有着强烈的吸收（尤其是 5.6THz）,因而可以利用太赫兹的成像和光谱对水成分的灵敏来诊断癌症和其他疾病。

大部分生物组织有很高含量的水分，因而太赫兹的吸收损耗很高，导致其穿透深度受到
TPI imaga1000）在皮肤和脂肪中穿透深度限制，商用的太赫兹装置（TeraView公司的TM
分别为1mm和6mm。

这是太赫兹成像的一大缺陷，但是对于检测某些组织的表面特征例如皮肤，这个深度是可以接受的。

反过来，利用不同水分含量导致不同的贯穿深度来对组织做对比鉴别也能用于医疗诊断。

（可以扩展皮肤癌和皮肤烧伤）
地雷和爆炸物探测
有效地检测地雷是一个全球性问题，每一天地雷平均造成70人的伤亡。

地雷可能是各种形状或者可能由金属，塑料甚至木头制成。

反坦克地雷经常掩埋在40cm深的地下，普通杀伤性地雷可能就在地面表层。

地雷的探测和鉴别在相当多的试样中已经发展出了一系列的感应器和数据处理系统。

可用技术有探地雷达（GPR），声/震波，电—化方式，四重共振等等。

通过对掩埋在潮湿的沙子中的微小橡胶的成像，太赫兹光谱成像用于检测地雷的可用性的到了论证。

结论和测量显示太赫兹源和探测器具有足够的信噪比来检测掩埋在地下达数英尺的物体。

爆炸性物品也是太赫兹检测的一个重要应用，全世界范围内最常见的爆炸物成分是RDX,HMX,PETN以及TNT这四种炸药在太赫兹光谱下有独特的光谱信号，因而可以利用太赫兹光谱仪（THz-TDS）或者FTIR来检测这些炸药，TA TP被恐怖组织所使用，性能不稳定不适合军用。

下图是四种炸药在TDS和FTIR下的光谱图。

也可以用这些炸药散发的不同气味来实现检测，表格显示了五种炸药的气味成分。

尽管取得了许多进展，但是爆炸物品的太赫兹光谱数据库远没有建立，将太赫兹光谱技术从一个有前途的技术变为一个可靠地技术还需要长期的努力。

食品检测
食品质量本质上是一个多因素决定的变量，包括一系列可计量的参量如：颜色，水分，质地，气味，味道等等。

大多数新鲜食物包含70%的水分，而新鲜水果和蔬菜甚至达到95%。

因而食品中的水状态很大程度上决定了食品的质量。

水活性概念是1952年由W.J.Scott提出的，他认为与食物中细菌生长相关的不是水的成分而是水活性，水活性定义为相同条件下食物中的水的汽化压力与纯水的汽化压力的比值。

细菌的生长在特定水活性值下受到抑制，美国FDA对食物水分的规定正是基于这一理论，现在水活性是食物质量最重要的指标之一。

食品内部水分分为组织水和自由水，食物腐败或者受到创伤时，水状态就会发生改变，利用食品对太赫兹波的吸收的不同可以对食品状态进行检测，利用THz-TDS的对食品作投射或反射成像可能用于食品质量的检测，不同的太赫兹频率成像可能快速检测食物包装或者食物内部的异物，利用太赫兹范围内的吸收峰能使自动质量监控系统的算法变得更简单。

这些技术能对食物中的水分进行测定，光谱仪能测定是否有有害的化学物质存在于食品内。

检测涂料厚度
工业产品的喷涂例如汽车车体的喷涂可以有效的防尘，防水，并增强颜色效果，所以需要对涂料涂层进行严格的质量控制。

涂料对可见光和红外光是不透明的，由于太赫兹的波长特性，太赫兹能贯穿涂层获得涂层信息，时域太赫兹(TD-THz)技术能提供非接触的涂料厚度检测。

当涂料未固化或者部分固化时，非接触的测量特别重要。

Physical Sciences, Inc. (PSI)正在研究探测器用于探测湿（未固化）涂料的实时厚度测量。

研制这种探测器目的是给干坞中的船舶的自动喷涂系统提供反馈。

主要目的是减少自动喷涂因为过喷而形成有毒环境污染。

而且，涂层均匀性的提高能提高涂料的寿命，减少昂贵的干坞维护成本。

太赫兹探测涂层厚度主要采用飞行时间扫描技术。

太赫兹脉冲在空气-涂料界面层以及涂料-基底界面层分别反射，两次脉冲返回时间相差t ，
(2)/g t n d c ∆=
g n 为涂层折射率，由此可以获得涂层厚度。

生化武器的探测
随着生物和化学药剂（CB ）成为战争和恐怖活动的袭击手段，美国国防部将生化袭击的预警系统列为优先发展项目。

最近在毫米和亚毫米的光谱研究证明DNA(和其他可能的细胞组织)在此类光谱中有着大量独特的振动。

不同生物DNA 具有不同的太赫兹光谱图，所以太赫兹光谱是一项很有前景的生物药剂探测技术。

鲱鱼（H ）和三文鱼（S ）的DNA 光谱图
大分子有毒化合物的军事威胁也促使微波光谱研究转向研究化学武器特性。

基态旋转能量非常重要：首先，这项工作建立了基于微波的方法来探测和鉴定高度特异性的化学药剂。

其次，这些研究考虑到了高频旋转光谱的精确计算，因此太赫兹光谱技术能提供化学药剂检测。

计算得到的沙林的高频旋转光谱
邮件检测
违禁药品在国际边境或者国家内部不同管辖区间的肆意走私导致无损检测技术的出现。

这种情况的出现主要原因在于每次检测都要在获得检测授权的前提下才能进行。

全世界大部分的法律系统都禁止在没有授权的情况下检测私人信件，尽管这些信件可能包含违禁物品。

过去存在的一些检测技术，例如让信件通过X光扫描，让警犬闻信件，用跟踪检测系统扫描外部。

然而，X光扫描系统只能检测乙烯塑料或者药片的外形，而不能检测药品的类型。

追踪探测和警犬探测只在信封的外部有探测信号时才有效，如气味或者微量的隐藏药品。

太赫兹波却很适合用于药品的检测，太赫兹波由于其长波长的特性，能穿透纸，木头，塑料，织物等材料，因而能用太赫兹波来检测邮件内部而不需要拆开邮件。

粉状物质对太赫兹的散射很大，散射太赫兹波的测量可以用来检测邮件是否含有药品，其次，对于邮件中的化学物质的检测可以使用太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）获得物质的光谱，所得光谱自动与太赫兹数据库对比获得相关系数，而不需要检测人员具有相关知识。