太赫兹(THz)辐射与主要特性

太赫兹（THz）辐射与主要特性

THz 辐射（T 射线）通常指的是频率在0.1 THz～10 THz（波长在30 μm～3 mm）范围内的电磁波，其

长波段方向与毫米波（亚毫米波）相重合，短波段方

向与红外线相重合，属于远红外波段，由于THz 波所处的特殊电磁波谱的位置，它有很

多优越的特性，从而具有重大科学意义[6]。主要表现

为以下几个方面：

1）量子能量和黑体温度很低。由于太赫兹波的光子能量很低，它穿透物质时，不易发生电离，因而可用来进行安全的无损检测。

2）许多物质大分子，如生物大分子的振动和旋转频率都在THz 波段，所以在THz 波段表现出很强的吸收和谐振。许多爆炸物有“太赫兹指纹”特性，这使得它们能够从衣服中及与其它材料混在一起时被鉴别出来，如毒品的检测等。穿透能力强，THz 波能以很小的衰减穿透如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等物质[8-11]。因此，可用其探测多种低浓度极化气体，适用于环境保护和军事化学侦察等特殊领域。

3）THz 波的时域频谱信噪比很高，这使得THz非常适用于成像应用[13]。目前，辐射强度测量的信噪比可以大于1010，远远高于傅立叶变换红外光谱技术，而且其稳定性更好。带宽很宽（0.1～10 THz），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THz 的范围，便于在大的范围里分析物质的光谱性质。赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒量级，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。THz 用于等离子体检测，利用THz 辐射可以探测出高温、高密度等离子体中密度的空间分布。

4）THz 在皮肤癌的诊断和治疗、DNA 探测、THz医学应用、THz 断层成像、THz 生物化学应用以及药物的分析和检测等方面都显示了其强大的功能和成

效[15-17]。尤其利用THz 可以非接触探测人类心跳等生命体征。T 射线对人体的辐射量只是X 射线的100 万分之一，反复照射也无伤害。可以预见，它的这种“绿色透视力”将会更广泛地应用于安全领域和医学成像领域。

太赫兹技术在环境监测、保护方面、国家安全和反恐等方面的应用优势能够弥补红外技术和微波技术的不足。另外太赫兹波处于微波毫米波与红外波段之间，电子学与光子学之间的空白区域，也是目前类科技的空白区域，具有非常广阔的发展空间。因此，积极开展THz 科学技术的研究工作具有重要的战略意义。

由于太赫兹波可以穿透大部分非金属材料，可望带来很多工业无损检测和安全领域的应用前景，引起了人们广泛的关注。如对美国航天飞机绝热泡沫下的安全隐患的检测，将带巨大的效益；地震等自然灾害后的生命探测、公共场所的爆炸物探测和煤矿瓦斯突出检测等等应用，将解决当前社会急需的工程技术问题，具有重大的社会效益。经过近20 多年来的研究，国际科技界公认，THz科学技术是一个非常重要的交叉前沿领域。由于THz

具有很高的空间分辨率和时间分辨率，使得它在成像技术及波谱技术方面具有独特的优势；另一方面，THz的能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以与X 射线相比，它又有很大的优势。因此，THz 科学技术很可能是新一代IT 产业的基础之一。THz 研究之所以成为热点，也是因为THz 的能量太小，其信息特征非常微弱。技术手段缺乏限制了理论研究的进展，研究上的空白点很多。首先由于THz的辐射源不稳定，没有标准的辐射源；因此，THz 研

究定性多，定量难。其二，除砷化镓外，人们也发现了其他半导体的THz 光电效应，但是都很难进行灵敏度定标。其三，尚未形成完整的各种物质THz 谱图，每种新物质的THz 谱测试结果都是前沿研究的贡献。现在，人们已知水份对于大部分的THz 波段有很强的

吸收，因此，水对THz 波有屏蔽作用；但是对于其他光学材料的THz 波特性知之甚少，太赫兹探测系统的目前的太赫兹探测系统主要是主动式的，随着探测器技术的进步，会有很多的高灵敏被动系统投入应用。并且，人们对于各种物质的太赫兹特性会了解的更多。

相信30 年后，人们在太赫兹空间，会发现很多目前人类发现不了的物理现象，人类用T 射线这只新“眼睛”不仅能“显微”万物、还能“望远”宇宙。太赫兹技术必将为人类认识物质世界，和改造世界提供更新的知识和手段。