太赫兹技术及其应用研究

太赫兹技术及其应用研究

摘要：太赫兹技术是一个具有广泛应用前景的新兴学科，近10年来，太赫兹技术理论研究的蓬勃发展带动了太赫兹波应用研究的迅速扩大。作为一种新型的相干光源，太赫兹辐射在物理化学、信息和生物学等基础研究领域，以及材料、国防、医学等技术领域具有重大的科学价值和广泛的应用前景。文章简要介绍了太赫兹波的重要特性集、太赫兹技术的研究现状及应用前景，重点介绍了太赫兹技术的特性、及在国防领域的应用。

关键词：太赫兹；特性；太赫兹波成像；应用

1 引言

太赫兹(Terahertz，简称THz)辐射是对一个特定波段的电磁辐射的统称，通常它是指频率在0.1THz一10 THz(波长在3um～3 mm)之间的电磁波，在某些特定场合，指0.3 THz一3 THz 之间的电磁波，还有一种更广泛的定义，其频率范围高达100THz．直到上世纪80年代中期以前，人们对这个频段的电磁波特性知之甚少，形成了远红外线和毫米波之间所谓的“太赫兹空隙”(Teraheaz Gap)，对太赫兹波段广泛的研究兴趣还是在20世纪80年代中期以超快光电子学为基础的脉冲太赫兹技术产生以后．近20年来，随着低尺度半导体技术、超快激光技术以及超快光电子技术的飞速发展，太赫兹技术表现出了极大的应用潜力．作为一种新型的相干光源，太赫兹辐射在物理、化学、信息和生物学等基础研究领域。以及材料、国防、医学等技术领域具有重大的科学价值和广泛的应用前景．本文将对太赫兹辐射的特性进行介绍，并在介绍太赫兹技术的常见应用基础上，着重对太赫兹技术在有关国防领域的潜在应用进行介绍．

2 特性

太赫兹波之所以引起科学界浓厚的研究兴趣，并不仅仅因为它是一类广泛存在而并不为人所熟悉的电磁辐射，更重要的原因是它具有很多独特的性质，正是这些性质赋予太赫兹波广泛的应用前景．从频谱上看，太赫兹辐射在电磁波谱中介于微波与红外辐射之间；在电子学领域。太赫兹辐射被称为毫米波或亚毫米波；在光学领域，它又被称为远红外射线；从能量上看，太赫兹波段的能量介于电子和光子之间．

2.1 波粒二相性

太赫兹辐射是电磁波，因此它具有电磁波的所有特性．太赫兹波具有干涉、衍射等波动特性；在与物质互相作用时，太赫兹波还显示出粒子特性．

2.2 穿透性

太赫兹辐射对很多介电材料和非极性的液体具有良好的穿透性．因此，太赫兹波可以对很多不透明的物体进行透视成像．太赫兹的透视性使它作为x射线成像和超声波成像的补充，用于安全检查或者在质量控制中进行无损探伤．太赫兹波成像技术包括二维成像、飞行时间成像、复合孑L径成像、计算机辅助层析成像以及近场成像等．

2.3 安全性

太赫兹辐射的另一个显著特点就是它的安全性．相比于X射线有千电子伏的光子能量，太赫兹辐射的能量只有毫电子伏．它的能量低于各种化学健的键能，因此它不会引起有害的电反应．这一点在针对旅客身体的安全检查和对生物样品的检查等应用中至关重要．

2.4 光谱分辨特性

尽管太赫兹辐射的光子能量相对较低，但这一波段仍然包含了丰富的光谱信息．许多有机分子在太赫兹频段具有强的吸收和色散特性．物质的太赫兹光谱(发射、反射和透射光谱)包含丰富的物理和化学信息，使得它们具有类似指纹一样的惟一特点．因此，太赫兹光谱成像技术不仅能够分辨物体的形貌，还能识别物体的组成成分．

2.5 其他特性

与微波相比，太赫兹辐射具有更高的频率和带宽，作为通信载体时可以承载更多的信息，更强咕勺发射方向性．因此，太赫兹波在中短距离大容量无线通信中极具应用潜力．在成像应用中，太赫兹波具有更高的空间分辨率，在保持相同空间分辨率时，其成像具有更大的景深．由于THz有很多优越的特性，其重要的学术和应用价值已引起学术界的广泛关注和极大兴趣。美国、英国、德国、日本和中国等国家已先后有多个课题组开展了THz领域的研究工作，取得了较好的进展。

现阶段，国内外对太赫兹的研究主要集中在对赫兹技术的研究和对太赫兹技术应用的研究。大功室发射源和高灵敏探测技术是太赫兹技术的两个重要研究热点，而太赫兹技术的应用则涉及到很多领域，如半导体材料、高温超导材料的性质研究、断层成像技术、无标记的基因检查、细胞水平的成像以及化学和生物的检测等等。

3 太赫兹技术的应用

太赫兹辐射所具有的独特性质，使它在天体物理学、等离子体物理与工程、材料科学与工程、生物医学工程、环境科学工程、光谱与成像技术、信息科学技术等领域有着广阔而重要的应用．

3.1 太赫兹技术在生物医学中的应用

由于很多生物大分子及DNA分子的旋转及振动能级多处于太赫兹波段，生物体对太赫兹波具有独特的响应，所以太赫兹辐射可用于疾病诊断、生物体的探测及癌细胞的表皮成像．

计算机辅助层析成像技术是在X射线领域首先发展并应用起来的三维解析成像技术．太赫兹波也可以应用于计算机辅助层析成像．

X射线层析成像只能反映物体的吸收率的分布．而太赫兹层析成像测量则记录了整个太赫兹脉冲的时间波形信息，因此可以根据不同的要求选取不同的探测物理量，如电场强度、峰值时间甚至材料的光谱特征．太赫兹层析成像对物体的反映是多方面的，不仅可以获得物体的吸收率的分布，还可以得到物体的折射率和材料的三维分布．

太赫兹波成像有2个固有的限制：其一，它不能穿透金属，金属表面几乎可以100％的反射太赫兹辐射，因而太赫兹波不能探测金属容器内的物体；其二，液态水对太赫兹波有强烈的吸收．

3.2 安全监测和质量控制

太赫兹辐射也可用于污染物检测、生物和化学物质的探测，从而可用于食品保鲜和食品加工过程的监控．太赫兹波对物体的穿透性和安全性可用于非接触、无损伤地探测特殊物质，如隐藏的炸药、毒品、武器等．由于太赫兹波的强穿透能力和低辐射性(对人体完全无害)，太赫兹成像就可以完全替代x射线透视、CT扫描、材料无损监测以及要害部门的安检和生化武器检查等．

3.3 无损探伤

太赫兹波对物体的穿透性和安全性可以用于对建筑物进行无损探伤．太赫兹波对物质的穿透性质可以通过太赫兹时域光谱来测量．例如，泡沫材料是航天飞机上常用的材料，其对太赫兹波的吸收和折射率非常低，因此太赫兹波可以穿透几英寸厚的泡沫材料，并探测到深埋在其中的缺陷．目前，太赫兹成像已被美国宇航局选为探测航天飞机中缺陷的关键技术之一．3.4 天文和大气研究

太赫兹是射电天文学极重要的频段，采用太赫兹技术可以超高空间分辨率对宇宙中冷暗区进行观测和成像，开展星际形成演化、太阳系天体、宇宙空间的研究．此外，大气中大量分子如水、一氧化碳、氮、氧及微量分子可以在太赫兹频段进行探测，因而太赫兹技术可以应用在大气环境保护监控、臭氧层监视等领域．

3.5 近距离无线通信和网络

太赫兹波段具有频率高、带宽宽、信道数多等特点，特别适合用于局域网以及宽带移动通信．用太赫兹通信可以获得10 Gbps的无线传输速度，这比目前的超宽带技术快几百甚至上千倍，是将来用于多媒体传输大容量无线通信的希望．

太赫兹无线通信能提供Gbps甚至更大容量的多重数据信道，数据带宽将会超过现有无线协议，如IEEE820．1lb等．有专家预言，在不远的将来无线太赫兹网络将取代无线局域网或蓝牙技术，而成为短距离无线通信的主要流技术．

3.6 国防应用

太赫兹技术在国防领域的主要应用包括：保密通信、超宽带反隐身雷达和无损探测．

3.6.1 保密通信．

在外层空问，太赫兹波可以无损耗的传输，用很小的功率就可以实现远距离空间通信．同时，相对于目前的空间光通信来说，太赫兹波的波束更宽，在远距离的空间通信中更容易对准，且天线系统可以实现小型化和平面化，特别适合卫星间、星地间的保密通信．

太赫兹波同时具有较强的云雾穿透能力和方向性。因而特别适合用于保密的战术通信．大气的衰减使太赫兹通信被局限在近距离内，此可有效防止被窃听的危险．若太赫兹通信设备能够做得足够轻、小，那么可以实现战场上排级单位间以及单兵之间的保密通信．

3.6.2 超宽带反隐身太赫兹雷达．

太赫兹雷达可以GW级和成千上万种频率发射纳秒以至皮秒级的脉冲，使它拥有许多普通雷达所没有的优点和能力．

(1)高分辨率．太赫兹波的波长短、分辨率高，可以作为未来高精度雷达的技术基础．太赫兹辐射具有比微波更短的波长及更精确的时间检测装置，因而使用太赫兹雷达对目标进行敏感探测与监视，可探测比微波雷达更小的目标、实现更精确的定位．太赫兹雷达探测技术的最大应用价值在于其光潜分辨能力，根据材料的共振吸收，可以获得被测目标的材料组成，因此太赫兹可用作对目标的识别，这是其他远距离探测技术难以做到的．

(2)优越的反隐身能力．雷达是探测空中目标方位和距离的主要手段，一般雷达主要靠接收目标的反射信号来发现目标，如果目标表面能使雷达波被吸收或散射，就可大大减小被对方雷达发现的概率，从而达到隐形的目的．通常，用吸波材料构成的隐形目标只对很窄的一个波段适合，所以常规的窄带微波雷达无法有效探测雷达截面很小的隐形飞行物体．而太赫兹雷达发射的太赫兹脉冲包含了丰富的频率，可使隐形飞行物体的窄带吸波涂层失去作用．并且，这种宽带太赫兹雷达波，对扁平形薄边缘不会像普通雷达那样形成共振吸收而减弱反射强度，它仅产生很小的共振面而使反射波仍然较强．因此，太赫兹雷达对外形隐身和材料隐身都有很强的反隐身能力．

总之，由于雷达主要是用来探测远程目标方位和距离的，而超宽带太赫兹雷达以其极高的距离(时间)分辨率、强穿透力、低截获率、强抗干扰性以及优越的反隐身能力，完全可用于对远程目标的监视与探测．

3.6.3 化学和生物制剂的探测．

太赫兹脉冲光谱对分子以及它们周围环境的构成非常灵敏，因此，在各种天气状况下，以及在烟雾和灰尘的环境内，利用太赫兹技术可以对化学药品进行探测。进而识别化学和生物制剂的种类．

4 小结

近20年来，太赫兹波技术无论在基础研究方面还是在应用研究领域，都取得了一定的进步和发展．太赫兹技术展现的应用前景是广阔而极具吸引力的，但这些目标的实现仍有很大一段距离．在太赫兹技术及应用中，大功率太赫兹辐射源研究是太赫兹技术发展的重要环节，太赫兹探测技术是研究的另外一个重要环节．此外，太赫兹功能部件如传输线等的研究也很重要．随着大功率太赫兹辐射器件和高灵敏度的太赫兹探测器件的逐步成熟，人们必将迎来

太赫兹科学技术广泛应用的时代。

进入21世纪以来，太赫兹波的产生和探测技术取得了突破性进展。太赫兹技术发展至今不到20年，很多关键技术问题，如THz辐射源及THz检测技术等尚不够成熟，还有待进一步的研究。但是，太赫兹辐射的应用已在大力开展，并取得了很多重要的成果，相关的THz 成像和波谱技术已经并正在快速地发展。随着太赫兹技术及其应用的迅速发展，很多大学和研究机构的研究成果可以孵化出一批高科技产业，将推动新一代IT产业的兴起。作为一个具有广泛应用前景的新兴学科，在可以预见的将来，太赫兹技术将和电磁波谱的其他波段一样，给人类的社会生活带来深远的影响

参考文献

1 王少宏，许景周，汪力，张希成．THz技术的应用及展望．物理，200l，30：612—615．

2 太赫兹技术在通信方面的研究进展，申金娥、荣健、刘文鑫，红外与激光工程，2006 Vol.35 No.z3

3 太赫兹技术的发展现状及应用前景分析，王忆锋、毛京湘，光电技术应用，2008 Vol.23 No.1

4 太赫兹波在军事领域中的应用研究，戚祖敏，红外，2008 Vol.29 No.12

5 太赫兹技术在安全领域中的应用，韩元、周燕、阿布来提、赵国忠、张存林，现代科学仪器，200

6 No.02

6 太赫兹科学技术及其应用研究，卜凡亮、王蓉、李丽华、金华，中国人民公安大学学报（自然科学版），2008 Vol.14 No.04

太赫兹技术及其应用概述

太赫兹技术（T-RAY）是指利用太赫兹波的技术,所谓的太赫兹科学，就是研究电滋波中的某一段，但这段电滋波能“看透”许多东西。100多年前，在红外天文学上人们曾提到太赫兹，但在科研和民用方面很少有人触及。在微波、可见光、红外等技术被广泛应用的情况下，太赫兹发展滞后的主要原因在于缺少探测器和发射源，直到近10几年，随着科研手段的提高，人们在这一领域的研究才有了较大发展。目前人类对太赫兹的研究已发展成为一个新的领域，研究太赫兹的单位也从20年前的3个发展到全世界的200多个。

太赫兹波指的是频率在0.1THz~10.0THz范围的电磁波。它具有很多优异的性质，被美国评为“改变未来世界的十大技术”之一。太赫兹波谱学、太赫兹成像和太赫兹通信是当前研究的三大方向。在安全检查、无损探测、天体物理、生物、医学、大气物理、环境生态以及军事科学等诸多科学领域有着重要的应用。具有极高截止频率的肖特基二极管能够在室温下实现太赫兹波的混频、探测和倍频，是太赫兹核心技术之一；此外，在低损耗的衬底上实现太赫兹电路是太赫兹技术得以实现的基础。

太赫兹波是频率范围在0.1T至10THz(波长在3mm至30um)的电磁频谱，它介于毫米波与远红外光之间，是至今人类尚未充分认知和利用的频谱资源，有望对通信(宽带通信)、雷达、电子对抗、电磁武器、安全检查等领域带来深刻变革。

太赫兹的独特性能给通信(宽带通信)、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像(无标记的基因检查、细胞水平的成像)、无损检测、安全检查(生化物的检查)等领域带来了深远的影响。由于太赫兹的频率很高，所以其空间分辨率也很高;又由于它的脉冲很短(皮秒量级)所以具有很高的时间分辨率。太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术由此构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。同时，由于太赫兹能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以与X射线相比更具有优势。另外，由于生物大分子的振动和转动频率的共振频率均在太赫兹波段，因此太赫兹在粮食选种，优良菌种的选择等农业和食品加工行业有着良好的应用前景。太赫兹的应用仍然在不断的开发研究当中，其广袤的科学前景为世界所公认。

经过近十几年来的研究，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的频率很高（波长比微波小1000陪以上），所以其空间分辨率很高。又由于脉冲很短（飞秒），THz辐射具有很高的时间分辨率。THz成像技术及THz波谱技术就构成了THz 应用的两个主要关键技术。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。

太赫兹不能代替X光，但却有X光做不到的一些长处。X光和超声波能发现物体的轮廓和状态，但却无法侦测物体的化学性质，无法分辨爆炸物品和药品的区别，然而太赫兹却有这种本领，这对国际上的反恐斗争具有特别重要的意义。对目前人类发明的上百种类型爆炸物和地雷，太赫兹已能识别出其中的50多种。最新的进展是在30米左右，太赫兹就能准确地发现爆炸物品。当然，30米并不是什么了不起的距离，但其实用价值非常大，与其它安检手段相比，这已是独一无二的成就了。

未来太赫兹的应用范围将扩大到以下四个方面，一是材料特性的研究，特别是轻分子和半导体，其中高温超导体的特性研究是太赫兹光谱技术应用的另一个领域，二是太赫兹成像和断层成像技术，三是在生物科学和药物领域的研究，包括从癌症诊断到基因分析等。最新的研究发现，人们常饮用的咖啡如果与某些药物相遇，就有可能变成“毒药”，而利用太赫兹技术，将在药理、癌症早期诊断等方面，有可能出现新的突破。

科学研究的新的强有力的新方法

（1）THz成像和THz波谱学在物理学、化学、生物医学、天文学、材料科学和环境科学等方面有着极其重要的应用。

（2）THz波不仅可以成像而且可以作为一种特殊而有效的探针，对物质内部进行深入研究，提供关于物质的化学及生物成分、波谱特性、THz标记、量子互作用过程等重要信息。

例如：利用THz很高的时域分辨率研究CdSe光导量子过渡现象，研究Ti02纳米晶格中载流子的输运过程，以及研究调控原子／分子的无辐射量子跃迁等方面均取得了重要的新成果。THz量子光学及量子计算机应用及强磁场下半导体的THz辐射等方面都作出了很突出的成就。利用强功率THz辐射可激发起物质内部原子及分子的非线性动力学过程，从而利用大功率超短脉冲THz可以在分子水平上研究物质的非线性特性。

（3）THz在等离子体检测方面也有重要的优势。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。THz在天文学研究上的应用显得很突出，科学家们在南极建立了一个移动天文站，利用THz望远镜观察到很多重要的新星体，对于研究宇宙的起源和星体的形成有重要的意义(值得一提的是我国在2005年初，也在南极建立了一个研究站)。

THz技术对国民经济发展将起着重要的推动作用

（1）THz在生物医学上的应用具有很大的吸引力。在皮肤癌的诊断和治疗，DNA的探测，THz的医学应用，THz断层成像，THz生物化学应用，药物的分析和检测等方面都显示了其强大的功能和成效。

基于对蛋白质及基因特性等的研究，可建立起THz生物分子诊断技术。

从而极大推动分子生物学的发展，并在医疗及药品的研制鉴定方面有很大的应用前景。（2）由于生物大分子的振动和转动频率均在THz波段，而THz辐射技术又可提取DNA的重要信息，因此，THz在植物，特别是粮食选种，优良菌种的选择等方面可以起重要的作用。总之太赫兹科学技术对农业、食品加工等行业有重要意义。

（3）THz辐射可以穿透烟雾，又可检测出有毒或有害分子，所以在环境监测和保护方面可以发挥重要作用。据报道，THz环境监控设备（利用CO2激光作为泵源产生的2.5THz)已安装在美国卫星上。

THz在国家安全、反恐方面的应用有着独特的优势

（1）利用THz可以穿透物质的特性，英国首先研制了THz摄像机并且已在机场安全检查方面进行试用，效果很好。特别重要的是美国橡树岭国家实验室（ORNL）和田纳西大学合作，

开展“穿墙计划（Through wall Program）”，利用THz成像技术从外部获得墙内信息。显然，这项穿墙技术在国家安全方面有很重要的价值

此外，利用THz波谱可以快速、有效的检查和识别毒品，美国已开展用THz谱技术检查邮件等项目，包括THz化学和生物制品的检测。

（2）THz在雷达和通信等方面的应用也有很大的潜力。THz在太空通信方面的巨大优势是没有疑问的。THz的大气窗口也已研究过(图6所示)。THz雷达在反隐身方面有特殊的功能。下面的报告中会谈到大功率THz辐射源的问题，这方面的研究工作是为THz雷达等做准备的。THz卫星太空成像和通信技术可能是今后大国关注的重要领域。

（3）THz应用于航天飞机可能故障的探测

哥伦比亚号航天飞机失事之后不久，根据航天飞机发射时拍摄的录像资料，提出了对失事原因的分析。美国一个实验室已进行了实验。所采用的THz脉冲中心频率为lTHz，频带宽度为3THz。经过多次实验，尤其是最近的对PAL～Ramp SOFI绝热泡沫层的成功探测，充分证明THz脉冲的确可以对航天飞机进行有效的无损探伤。我国太空发展计划肯定会需要这样的技术。

THz科学技术是新一代IT产业的基础

（1）科学家们预计，一旦THz辐射源、THz检测技术等发展以后，THz可以在现代IT科学技术和工业领域有极强的竞争力。下面将要说明这种竞争实际上已经开始。

（2）随着THz科学技术的发展，很多高科技公司相继诞生，例如：英国Rultherford国家实验室(Rutherford Appleton Lab（RAL）)及欧洲航天局(ESA)于2002年起，执行Star Ti ger 计划成功后，建立了一个公司ThruVision公司，专门从事有关THz成像的商品化工作，开发出被动式THz成像仪，有以下特点：a．被动式不需要THz源；b．可实时成像。英国剑桥大学孵化出(Spinoff)一个高科技公司一TeraView Ltd．从事THz摄像机的开发；

（3）美国Michigen大学及Stanford大学孵化出Picometrix；Physicalscience Inc．；Calabazas Creek Res．Inc．等公司。基地设在加州的Picometrix公司的任务是“将THz科学技术交给政府及大学实验室手中，以便他们用于各项研究工作”。

（4）日本也有很多公司，它们已经在从事包括高功率THz源在内的有关THz科学技术的研究、开发及成果的商业化等工作。可见，以THz科学技术为基础的新一代IT产业已开始逐步形成。