太赫兹技术及其应用前景

摘要：太赫兹波是处于毫米波与红外之间的波段，是电子向光子、宏观向微观过渡的区域。太赫兹是新型的、具备特殊性能的辐射源，其技术在通信、成像等许多领域具有广阔的应用空间。本文对太赫兹技术研究进行了归纳，为今后的发展研究提供理论参考。

关键词：太赫兹波；应用技术；应用前景

中图分类号： TN744 文献标识码： A DOI编号： 10.14025/j.cnki.jlny.2014.19.0081

太赫兹（Terahertz，1THz=1012Hz）波[1]是0.1～10THz范围的电磁波，波长约在30微米～3毫米之间，介于毫米波与红外线之间。该频域是电子学向光子学、宏观经典理论向微观量子理论的过渡区。由于缺乏有效太赫兹发射源和灵敏探测器，这一波段也被称为THz间隙。太赫兹波具有较宽的频率范围、独特的光子能量与传播特性，其所涉及的对象范围涵盖了生命个体、宇宙天体等诸多物质，在与物质相互作用时表现出极为丰富的物理内涵。上世纪80年代以来，一系列新技术、新材料的发展，获得宽带稳定的脉冲THz源成为一种准常规技术，THz技术迅速发展，并在实际范围内掀起研究热潮。

1太赫兹波的特点

人们关注THz技术的原因是THz波普遍存在，且其具有一系列独特的性质，是人们认识自然界的有效线索和工具。THz波有以下特点：[2]

THz 脉冲很短，脉冲宽度在皮秒（ps，1s=1012ps）量级，其可方便有效地进行时间分辩，而且THz 脉冲具有很高的信噪比，对于背景噪音的干扰具有较强的抑制能力。

THz 辐射频带非常宽，可从GHz 覆盖到几十THz的较宽范围，该频段覆盖许多生物大分子的转动和振动频率，比如半导体材料、电介质等材料的声子振动频率就落在了THz波的频段内，基于这一特点，THz波非常适合分析物质的光谱性质。

THz 波具有低能性，能量只有几毫电子伏，不易损坏被检物质，所以在物质检测上具有一定的优势。

THz 波穿透非极性非金属材料时衰减小，可结合相应技术探测材料内部结构等信息。而极性物质水，对THz辐射的吸收比较强，所以成像技术中，可以利用这一特性分辨生物组织的不同状态。

基于THz 波具有如此之多的特点，进一步开发研究太赫兹技术的应用潜质成为科研工作者努力的方向，将太赫兹波广泛应用到生产生活中，不断进行技术创新。

2太赫兹科学技术

太赫兹科技是改变未来世界不可估量的前沿阵地，对于提高技术创新、增进国民经济发展、加强国防安全都有着非同小可的作用。鉴于THz波的特点，必将给通信、雷达、生物化学物品鉴定等领域带来不可估量的影响，乃至改变整个人类社会的生活。太赫兹科学技术应用之多[3]，备受人们关注。

2.1 THz时域光谱技术

目前THz时域光谱技术已经开始商业化运作，其基本原理是利用飞秒脉冲产生并探测时间分辨的THz电场，得到被检测物质的光谱信息。因为很多生物大分子的振动和转动频率在THz波段，所以可以通过特征频率对物质进行分析和鉴定。如今，THz时域光谱技术已在美国、欧洲、日本等国家投入生产。

2.2 THz波成像

THz波成像是用THz波照射被检测的物质，通过物质反射或透射获取相应的信息，从而形成像。THz成像技术有两种方式，分别是脉冲成像和连续成像。

2.3公共安全检查

利用THz波进行安检，其原理即为THz波成像。THz波不仅穿透性强，而且对金属材料反射性也强，加之THz波具有高的分辨率，所以能够很容易检测到隐藏在包裹、行李箱内的管制刀具等。同时还可应用THz波能够鉴别物质的特性，检测人体内是否携带大麻、毒品等严禁物品。

2.4太赫兹雷达

THz雷达的应用原理也是THz成像原理。鉴于水分对THz波的吸收作用强，以及物品对THz波的反射，使得近距离雷达成为THz波的优势。穿墙雷达和探雷雷达是科研工作者不断追求的THz应用技术，穿墙雷达可很好地应用于抗争救灾时的搜救工作，探雷雷达对于暴恐袭击时爆炸物的探测也有着可观的前景，但二者目前都处在研究开发的阶段。

2.5 天文探测

在整个宇宙中，存在着大量的物质，它们均可以发出THz波，利用THz波结合卫星空间成像就可以探测到星际中的大气分子，进一步认知天文领域，弥补了太赫兹之前在探测方面的缺憾。

2.6 THz通信技术

THz通信技术具有超快的传输速率，传输速率可达到10GB/s，特别是对卫星通信方面，在近似真空的外太空下，不考虑水分的影响，THz通信可以以极高的带宽进行高保密卫星通信。但由于缺乏有效的太赫兹辐射源，使得通信领域目前无法实现商业化，但新型发射源的研发必将解决这一难题。

3太赫兹科学技术应用前景

经过科研工作者几十年不断努力的研究，如今THz科技已是全世界各国倍加关注的科研技术，其在人类生活的很多方面都有着非常可观的开发利用前景。太赫兹在不久的将来主要应用在以下几方面：

太赫兹具有侦测物体化学性质的本领，能够分辨爆炸物品和药品，解决目前最受人们关注的反恐、缉毒等问题。目前英国发展的THz安检设备已经进入试用阶段，这对国际上的反恐斗争具有特别重要的意义。

太赫兹在天文学上有着非常重要的应用价值，南极建立的移动天文站就是利用THz望远镜实现了对很多重要新星体的观测，完成了许多天文探测方面的应用，具有难以估计的作用。

THz波在生物医学上的应用具有很大的吸引力，对分子生物学的发展起到了促进作用，并在医学诊断及药品研制鉴定方面具有可能超越现今技术的潜质。

THz波可用于粮食选种，菌种优选等方面，有望广泛应用于农业、食品加工业。

THz波可穿透烟雾检测出大气中有毒或有害的分子，对环境污染监测及环境保护有重要的作用。据报道，在美国卫星上已安装THz环境监控设备。英国利用THz波可穿透物质的独特性质，首先研制出的THz摄像机已在机场安检方面进行试用，取得很好的效果。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。

THz 通信技术具备传输速率高、方向性强等优势，THz雷达可使反隐身技术无所遁形，这些都将在军事应用领域有着诱人的前景。

THz波用于探测航天飞机可能存在的故障。美国一个实验室已做出鉴定，尤其是对PAL～Ramp SOFI绝热泡沫层的探测成功，充分肯定了THz波可对航天飞机进行有效的无损探伤。

4展望

THz科技是许多国家竞相发展研究的技术，利用太赫兹的独特优势，已在一些重要研究领域取得了巨大的进展，但探索新型的太赫兹辐射源和灵敏探测器仍需要不断努力，使太赫兹技术实现实用化、商业化。同时太赫兹技术的发展能够促进自然科学、应用科学等交叉学科的迅速发展，对人类社会的诸多方面都将带来深远影响。

参考文献

[1] 王忆锋，毛京湘.太赫兹技术的发展现状及应用前景分析[J].光电技术应用，2008，23（1）.

[2] 牧凯军，张振伟，张存林.太赫兹科学与技术.中国电子科学研究院学报[J].2009，（3）.

[3] 蔡禾，郭雪娇，和挺等.太赫兹技术及其应用研究进展[J].中国光学与应用光学，2010（3）.

作者简介：孙京南，硕士学历，吉林化工学院化工与生物技术学院，助教，研究方向：物理教学、量子级联激光器研究及大学生思想政治教育。endprint