太赫茲技術及其應用前景

摘要：太赫茲波是處于毫米波與紅外之間的波段，是電子向光子、宏觀向微觀過渡的區域。太赫茲是新型的、具備特殊性能的輻射源，其技術在通信、成像等許多領域具有廣闊的應用空間。本文對太赫茲技術研究進行了歸納，為今后的發展研究提供理論參考。

關鍵詞：太赫茲波；應用技術；應用前景

中圖分類號： TN744 文獻標識碼： A DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2014.19.0081

太赫茲（Terahertz，1THz=1012Hz）波[1]是0.1～10THz范圍的電磁波，波長約在30微米～3毫米之間，介于毫米波與紅外線之間。該頻域是電子學向光子學、宏觀經典理論向微觀量子理論的過渡區。由于缺乏有效太赫茲發射源和靈敏探測器，這一波段也被稱為THz間隙。太赫茲波具有較寬的頻率范圍、獨特的光子能量與傳播特性，其所涉及的對象范圍涵蓋了生命個體、宇宙天體等諸多物質，在與物質相互作用時表現出極為豐富的物理內涵。上世紀80年代以來，一系列新技術、新材料的發展，獲得寬帶穩定的脈沖THz源成為一種準常規技術，THz技術迅速發展，并在實際范圍內掀起研究熱潮。

1太赫茲波的特點

人們關注THz技術的原因是THz波普遍存在，且其具有一系列獨特的性質，是人們認識自然界的有效線索和工具。THz波有以下特點：[2]

THz 脈沖很短，脈沖寬度在皮秒（ps，1s=1012ps）量級，其可方便有效地進行時間分辯，而且THz 脈沖具有很高的信噪比，對于背景噪音的干擾具有較強的抑制能力。

THz 輻射頻帶非常寬，可從GHz 覆蓋到幾十THz的較寬范圍，該頻段覆蓋許多生物大分子的轉動和振動頻率，比如半導體材料、電介質等材料的聲子振動頻率就落在了THz波的頻段內，基于這一特點，THz波非常適合分析物質的光譜性質。

THz 波具有低能性，能量只有幾毫電子伏，不易損壞被檢物質，所以在物質檢測上具有一定的優勢。

THz 波穿透非極性非金屬材料時衰減小，可結合相應技術探測材料內部結構等信息。而極性物質水，對THz輻射的吸收比較強，所以成像技術中，可以利用這一特性分辨生物組織的不同狀態。

基于THz 波具有如此之多的特點，進一步開發研究太赫茲技術的應用潛質成為科研工作者努力的方向，將太赫茲波廣泛應用到生產生活中，不斷進行技術創新。

2太赫茲科學技術

太赫茲科技是改變未來世界不可估量的前沿陣地，對于提高技術創新、增進國民經濟發展、加強國防安全都有著非同小可的作用。鑒于THz波的特點，必將給通信、雷達、生物化學物品鑒定等領域帶來不可估量的影響，乃至改變整個人類社會的生活。太赫茲科學技術應用之多[3]，備受人們關注。

2.1 THz時域光譜技術

目前THz時域光譜技術已經開始商業化運作，其基本原理是利用飛秒脈沖產生并探測時間分辨的THz電場，得到被檢測物質的光譜信息。因為很多生物大分子的振動和轉動頻率在THz波段，所以可以通過特征頻率對物質進行分析和鑒定。如今，THz時域光譜技術已在美國、歐洲、日本等國家投入生產。

2.2 THz波成像

THz波成像是用THz波照射被檢測的物質，通過物質反射或透射獲取相應的信息，從而形成像。THz成像技術有兩種方式，分別是脈沖成像和連續成像。

2.3公共安全檢查

利用THz波進行安檢，其原理即為THz波成像。THz波不僅穿透性強，而且對金屬材料反射性也強，加之THz波具有高的分辨率，所以能夠很容易檢測到隱藏在包裹、行李箱內的管制刀具等。同時還可應用THz波能夠鑒別物質的特性，檢測人體內是否攜帶大麻、毒品等嚴禁物品。

2.4太赫茲雷達

THz雷達的應用原理也是THz成像原理。鑒于水分對THz波的吸收作用強，以及物品對THz波的反射，使得近距離雷達成為THz波的優勢。穿墻雷達和探雷雷達是科研工作者不斷追求的THz應用技術，穿墻雷達可很好地應用于抗爭救災時的搜救工作，探雷雷達對于暴恐襲擊時爆炸物的探測也有著可觀的前景，但二者目前都處在研究開發的階段。

2.5 天文探測

在整個宇宙中，存在著大量的物質，它們均可以發出THz波，利用THz波結合衛星空間成像就可以探測到星際中的大氣分子，進一步認知天文領域，彌補了太赫茲之前在探測方面的缺憾。

2.6 THz通信技術

THz通信技術具有超快的傳輸速率，傳輸速率可達到10GB/s，特別是對衛星通信方面，在近似真空的外太空下，不考慮水分的影響，THz通信可以以極高的帶寬進行高保密衛星通信。但由于缺乏有效的太赫茲輻射源，使得通信領域目前無法實現商業化，但新型發射源的研發必將解決這一難題。

3太赫茲科學技術應用前景

經過科研工作者幾十年不斷努力的研究，如今THz科技已是全世界各國倍加關注的科研技術，其在人類生活的很多方面都有著非常可觀的開發利用前景。太赫茲在不久的將來主要應用在以下幾方面：

太赫茲具有偵測物體化學性質的本領，能夠分辨爆炸物品和藥品，解決目前最受人們關注的反恐、緝毒等問題。目前英國發展的THz安檢設備已經進入試用階段，這對國際上的反恐斗爭具有特別重要的意義。

太赫茲在天文學上有著非常重要的應用價值，南極建立的移動天文站就是利用THz望遠鏡實現了對很多重要新星體的觀測，完成了許多天文探測方面的應用，具有難以估計的作用。

THz波在生物醫學上的應用具有很大的吸引力，對分子生物學的發展起到了促進作用，并在醫學診斷及藥品研制鑒定方面具有可能超越現今技術的潛質。

THz波可用于糧食選種，菌種優選等方面，有望廣泛應用于農業、食品加工業。

THz波可穿透煙霧檢測出大氣中有毒或有害的分子，對環境污染監測及環境保護有重要的作用。據報道，在美國衛星上已安裝THz環境監控設備。英國利用THz波可穿透物質的獨特性質，首先研制出的THz攝像機已在機場安檢方面進行試用，取得很好的效果。特別重要的是美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）和田納西大學合作，開展“穿墻計劃（Through wall Program）”，利用THz成像技術從外部獲得墻內信息。顯然，這項穿墻技術在國家安全方面有很重要的價值。

THz 通信技術具備傳輸速率高、方向性強等優勢，THz雷達可使反隱身技術無所遁形，這些都將在軍事應用領域有著誘人的前景。

THz波用于探測航天飛機可能存在的故障。美國一個實驗室已做出鑒定，尤其是對PAL～Ramp SOFI絕熱泡沫層的探測成功，充分肯定了THz波可對航天飛機進行有效的無損探傷。

4展望

THz科技是許多國家競相發展研究的技術，利用太赫茲的獨特優勢，已在一些重要研究領域取得了巨大的進展，但探索新型的太赫茲輻射源和靈敏探測器仍需要不斷努力，使太赫茲技術實現實用化、商業化。同時太赫茲技術的發展能夠促進自然科學、應用科學等交叉學科的迅速發展，對人類社會的諸多方面都將帶來深遠影響。

參考文獻

[1] 王憶鋒，毛京湘.太赫茲技術的發展現狀及應用前景分析[J].光電技術應用，2008，23（1）.

[2] 牧凱軍，張振偉，張存林.太赫茲科學與技術.中國電子科學研究院學報[J].2009，（3）.

[3] 蔡禾，郭雪嬌，和挺等.太赫茲技術及其應用研究進展[J].中國光學與應用光學，2010（3）.

作者簡介：孫京南，碩士學歷，吉林化工學院化工與生物技術學院，助教，研究方向：物理教學、量子級聯激光器研究及大學生思想政治教育。endprint