２１世紀待開拓的ＴＨｚ新頻段（下）

THz電磁波的應用前景

THz電磁波段處在亞毫米波與遠紅外線之間，顯然低端THz波具有微波輻射特性，高端THz波具有光波輻射特性，加上它是非離子化輻射和占有極寬波譜，它的應用前景是非常可觀的。例如THz波能夠透過許多非導電材料，包括衣料、紙張、木材、泥土、塑料、陶瓷。THz波還可穿過云霧，但被金屬和水吸收，大氣層對它也是強吸收體，故THz輻射的傳播距離很短，限制它在地面的視線距離通信應用。

當前正在開發中的理論和技術應用主要集中在以下幾個方面：

第一，醫學成像。THz輻射的非電離性，不會像X射線那樣對人體的DNA有破壞作用。某些THz輻射頻率甚至可透過人身組織達到幾cm深度并反射回來，同時可檢測人身組織內水含量密度，以及有效檢測到上皮癌細胞，代替常用的X射線透視和提供更安全的無損害成像。口腔科的牙齒三維照相也是潛在應用。肥胖人群由于體內脂肪太厚而阻擋x射線或超聲波，使射束不能到達內臟的現象，將由THz的使用而得到改善。科學界認為，THz輻射能量比X射線低得多，對人體更為安全，而且適于分析、描繪被照射物質的成份和密度。

第二，搜索和安全檢查。在這方面，THz輻射將起著重要作用，目前已經制成安檢使用的透視器原型機，能夠穿透衣物和包裝，準確地識別傳統武器、生物和化學武器、爆炸物。因為THz輻射不但獲得化學武器、塑料炸彈圖像，而且根據物體的唯一性光譜而獲得它們的指紋。可以期待、在防止犯罪和恐怖分子的販毒和破壞活動中THz將有更多作為。例如，成功地應用THz輻射檢測到百米以外的nm尺寸物體，為NASA檢測航天飛機的防熱用泡沫層內部的裂痕隱患。

第三，光譜分析。在室溫下的物體可發射THz波段熱能，獲得信息豐富的光譜圖，可識別化學和生物物體的組成成份，遺傳基因特性，蛋白纏繞的復雜動態過程，光激勵反應特性等其它波段光譜分析難以分辨的信息。近年取得進展的THz時域光譜儀和THz斷層分析，能夠對可見光和近紅外光透明的樣品作測量和分析，由于脈沖THz的輻射具有相干和寬帶特性，它的圖像要比單一頻率源的圖像含有更多信息。

第四，衛星通信。THz的寬廣頻段有利于飛機對衛星和衛星對的高速數據傳送和接收，對天體物理和外層空間獲得更多的了解。

第五，其它應用。THz成像將部置于制造、質量控制和過程監控，因為塑料和紙箱對THz輻射呈現透明，對監控帶來許多方便。微型傳感器、MEMS器件、THz光電器件的探索等還處在初始階段，應用成果將陸續出現。

我國THz研發結碩果

鑒于THz電磁波的重大應用前景，無論發達國家或發展中國家都投入較大規模的資金支持有關THz電磁波的理論和應用研發。以美國為例，美國國家基金會、航天局、國防部、能源部、研究機構、高等院校對THz電磁波研發十分活躍，課題覆蓋面廣，成果最多，人才濟濟。歐洲各國除支持本國的研發項目之外，還在歐盟范圍內開展多學科的大型合作項目。亞洲的日本、韓國、中國(包括臺灣)都有獨立的研發機構。甚至大洋洲的澳大利亞同樣重視THz電磁波的研發，在幾所大學成立專題研究小組。我國科技部、中國科學院、自然科學基金委員會對THz電磁波研究給予高度關注，從2000年起一直作為基礎研究重大項目、基金會重大項目、973計劃實施相關安排，作為知識創新課題取得可喜成果，積累了相當多的工作經驗，成為全球研發THz電磁波的重要組成部分。

到目前為止，THz電磁波振蕩源只有脈沖振蕩器，大部分屬于3THz以下頻段，連續波振蕩源尚未解決，對5THz以上的輻射了解還不夠。美國國防部高級研究計劃局早在2002年即將連續波THz振蕩源列為招標項目，一旦THz連續振蕩器變得跟其它波段振蕩器那樣容易獲得時，將會推動THz電磁波的研發和應用，使THz電磁波與其它微波波段或光波那樣為人類社會帶來深遠的影響。人類在100多年內僅掌握100GHz以下的電磁波段，如果推進到1THz以上，可用波段將擴大10－100倍，從1mm波段至30μm遠紅外光波之間的空白將被突破，意義非常重大。

當前，實驗用連續THz輻射可從同步光源取得，特別是第三代能量30MeV以上的高能同步加速器，能夠產生從T射線、紅外、紫外至x射線的輻射。2006年7月稱為“鉆石光源”的英國同步輻射光源調試成功，設計能量為30MeV的全球最強光源將在2007年啟用，先建8個光束實驗站可供實驗之用，最終再建成40個光束實驗站。每個實驗站安裝有可調狹縫陣列、各種光學鏡頭、晶體、光電／電光測量儀器、各種光譜儀等。光束站的x射線亮度是醫用X射線的1000億倍，超強光束能夠深入到物質的分子，為研究物質、材料和生物樣品的基本結構提供有效手段。我國在高能物理研究方面具有國際水平，在2004年底已啟動“上海光源”計劃，2009年將建成光束能量35MeV的第三代同步輻射光源，首期有10個光束實驗站，最終建成40個光束實驗站，目標是開展國際性的多學科綜合研究，在材料、生物、醫學和環境研究中取得突破性成果。上海光源的建成對我國T射線研發將有強力推動，取得更先進的成果。在上海光源建成之前，中科院上海分院的fs電子束加速器可獲得飛秒脈沖的30MeV的電子束團，同時也是我國最大型的T射線實驗室之一，它的T射線實驗平臺已開展多項材料的吸收和透射特性測量，對THz時域光譜和成像也取得進展。可以預期，上海光源投入使用后，我國在THz或T射線的研究和應用方面更上一層樓，會對相關研發做出國際水平的貢獻。

走向商用化的第一步

THz頻段的研究成果多年來一直只出現在實驗室內，由于設備復雜和需要熟練人員操作，而未能將成果商業化。今年TeraView公司首先實現了THz測量設備的商業化，推出兩套THz遠紅外光譜儀IPI Spectra 1000和2000，它們的主要特性是：

·頻譜(波長)量程－40GHz－3THz，1．3cm^-－100cm^-1(Spectra 2000)；40GHz－4THz，1．3cm^-1-133．3cm^-1(Spectra 1000)；分辨率3GHz(0．1cm^-1)。

·THz振蕩源和檢測器一激光器門控的光電半導體發射器；光電半導體接收器。

·掃描方式一步進方式和快速方式，單次快速掃描用40Hz和分辨率2-3cm^-1

·數據采集－A／D轉換器16位，Windows操作系統，USB接口，專用OPUS光譜分析軟件。

·樣品室一尺寸100×80mm的氣體、液體室，常規N²氣清洗，si材料的可配置壁板。

·尺寸、重量和電源－100×100×80cm(W×H×D)，200kg，3．5KVA，室溫下工作。

與傳統的遠紅外光譜分析儀比較，THz頻段光譜能夠檢測到在生物，化學和物理中，許多重要物體所獨特具有的分子間交互作用。例如藥物的多晶態分子，對于藥物分析和合成是十分有用的數據，對于蛋白質分析同樣重要。兩套儀器從實驗室樣機到定型機過程中做了大量改進和提高工作，使產品的THz發射和接收穩定，容易對準，優良的信號噪聲比，在實驗過程中獲得衍射指數和吸收數據，能夠在室溫工作，樣品更換方便等等。

非常明顯，兩套儀器的頻段還不夠寬，最高只達到4THz，相距THz頻段的上限100THz還有一段距離。雖然TeraView公司走出的THz遠紅外光譜儀商用化的第一步，步伐并不大，卻是非常重要的一步，表明已經真正進入了廣闊的THz天地，將迎來更多的實用成果向商用化產品的轉化。

結語

THz電磁波的重要性已為科學界所認識，對開拓THz電磁波的應用方興未艾，當務之急是研發成功THz的連續波振蕩源，其次是實現設備的小型化。換句話說，使THz電磁波從實驗室走向現實世界。這個過程的長短，取決于研發和工程人員的共同努力，樂觀的預測認為三至五年內將有成果，激光二極管和激光晶體管有潛力進入到THz波段，光電集成電路有可能制成手持式THz成像系統。目前的科技水平能夠制成手提箱大小的THz透視設備，用于武器、炸藥、毒品的安全檢查，進一步努力可再小型化成數字相機那樣輕便。可以認為，THz電磁波的實用化已經為期不遠了。

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