太赫兹成像技术概念及原理解析_太赫兹波特征及应用

杨桂花 2018-01-08 32010

通信技术

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描述

一、太赫兹成像技术概念及原理解析

太赫兹技术简介

太赫兹（Terahertz，1THz=1012Hz）泛指频率在0.1～10THz波段内的电磁波，位于红外和微波之间，处于宏观电子学向微观光子学的过渡阶段。太赫兹辐射是0.1~10THz的电磁辐射，从频率上看，在无线电波和光波，毫米波和红外线之间；从能量上看，在电子和光子之间·在电磁频谱上，太赫兹波段两侧的红外和微波技术已经非常成熟，但是太赫兹技术基本上还是一个空白，其原因是在此频段上，既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合微波的理论来研究。

太赫兹系统在半导体材料、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、化学和生物的检查，以及宽带通信、微波定向等许多领域有广泛的应用。研究该频段的辐射源不仅将推动理论研究工作的重大发展，而且对固态电子学和电路技术也将提出重大挑战。

太赫兹波

远距离穿墙术，铸就反恐作战新利器。

如果问一下驻伊美军最怕的是什么，那答案肯定是路边炸弹，防不胜防的路边炸弹，成了驻伊美军不寒而栗的“头号杀手”，以至于让美国海军陆战队司令迈克尔·哈吉认为：“这种相对低级的武器将成为未来战争的一个标志。”在美军撤离伊拉克之前路边炸弹造成的伤亡一度不绝于耳。与此同时，不断发生的细菌邮件、包裹炸弹和自杀式袭击也令人神经紧绷。似乎在传统威胁面前，高新技术也无能为力，事实真是如此吗？太赫兹的穿墙透视能力或许能够扭转这种被动局面。

太赫兹的频率很高、波长很短，具有很高的时域频谱信噪比，且在浓烟、沙尘环境中传输损耗很少，可以穿透墙体对房屋内部进行扫描，是复杂战场环境下寻敌成像的理想技术。未来城市及反恐作战中，借助太赫兹特有的“穿墙术”，可以对“墙后”物体进行三维立体成像，探测隐蔽的武器、伪装埋伏的武装人员和显示沙尘或烟雾中的坦克、火炮等装备，进而拨开战场迷雾。

另外，太赫兹成像技术在塑料凶器、陶瓷手枪、塑胶炸弹、流体炸药和人体炸弹的检测和识别上，更是“明察秋毫”，利用强太赫兹辐射照射路面，还可以远距离探测地下的雷场分布。如此，士兵们不需要再靠近可疑地段或人员便可以对其进行检查。与耗资较高、作用距离较短、无法识别具体爆炸物的X射线扫描仪相比，太赫兹成像具有独特优势，目前已经初步应用于检查邮件、识别炸药及无损探伤等安全领域。

二、太赫兹波特征及应用

1、太赫兹波特征

太赫兹技术之所以成为科学前沿关注的对象，是因为太赫兹处于电磁波段中的特殊位置，与其它波段的电磁波相比具有许多独特的性能。

1.1、与短波长的电磁波相比：

（1）THz波的典型脉宽在亚皮秒量级，可以进行亚皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，通过取样测量技术，能够防止背景辐射噪音的干扰。目前太赫兹辐射强度能够得到的探测效果，远远优于傅立叶变换红外光谱的探测技术，并且太赫兹技术稳定性也很高。

（2）太赫兹波源通常包含若干个周期的电磁振荡，频带覆盖范围很宽。单个脉冲的频带可以达到GHz到几十THz的范围，可以在大范围内分析研究物质的光谱特性。

（3）太赫兹辐射的产生机制决定了THz波具有很高的时间和空间相干性。而运用太赫兹时域光谱技术可以直接测量出太赫兹电场的振幅和相位，更为方便地提取测量样品的相关物理信息。

（4）太赫兹波段中正好对应许多特定材料的能隙，他们的太赫兹光谱会存在明显的特征吸收。比如许多有机大分子、违禁易爆品等对THz波呈现出强烈的吸收和色散特性；利用THz波特有的光谱特征可做指纹识别。所以生物探测、危险爆炸物品检测将成为太赫兹技术重要发展前景之一。

（5）THz波的光子能量很低，约为x射线光子能量的1/10，更是远远低于各种化学健的键能，因此它对活体生物组织不会造成电离损伤。可以应用THz技术研究酶的特性、进行DNA鉴别等。另外由于水分子、氨分子等大多数极性分子对太赫兹波有非常强烈的吸收，所以太赫兹波不能穿透人体的皮肤，因此即使很强烈的太赫兹辐射，它对人体的影响也仅仅停留在皮肤表层，而不像微波那样直接穿透到人体的内部。这一点可以应用在对旅客身体以及生物样品的探测检查，可做为X射线成像检测手段的有益补充。

（6）THz辐射对于很多非极性物质，如电介质材料及塑料、陶瓷、纸箱、布料、硅片、干木材等材料有很强的穿透能力，可用来对已经包装的物品进行质检或者用于今后的安全检查。THz波的这些特殊性使发展THz技术具有了重要的意义。

1.2、与长波长的电磁波相比：

（1）与微波相比，THz波的频率则更高，相同条件下通信传输的容量可以更大，因此在作为通信载体时，单位时间内THz波可以承载更多的信息量，同时由于太赫兹波的波长更短，实施同样的传输功能的情况下，可以把天线的尺寸做得更小，那么相应的系统结构及设备也可以做得更简单、更经济，从而节省成本。

（2）由于THz波波长更短、波束更窄，它的方向性要远远好于微波，成像应用中则具有更高的空间分辨率，或者在保持同等空间分辨率时能够具有更长的景深。这一点可以用来探测更小的目标，在天文及军事领域可用于更精确地定位。

（3）与微波相比，THz波具有更好的保密性和抗干扰能力。综上这些优势，THz在中短距离、高容量、无线通信技术中具有很强应用潜力。

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2、太赫兹波应用

这些独特的性质赋予了THz波广泛的应用前景，使它在在基础研究、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，乃至现代通信技术等领域都展现出巨大的应用潜力。目前，国内外众多科研机构相继开展了THz技术的研究，在工业领域，已有数百公司参与或资助了太赫兹的研究工作，他们则是瞄准了太赫兹有“无损伤探测”的商业利用价值。国内外众多机构在THz技术应用领域的研究己取得了许多有价值的成果。

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。

THz时域光谱技术

目前已经开始商业化运作，世界范围内已经有多家企业开始生产商用THz时域光谱仪，主要是中国，美国，欧洲和日本的厂家。THz时域光谱技术的基本原理是利用飞秒脉冲产生并探测时间分辨的THz电场，通过傅立叶变换获得被测物品的光谱信息，由于大分子的振动和转动能级大多在THz波段，而大分子，特别是生物和化学大分子是具有本身物性的物质集团，进而可以通过特征频率对物质结构、物性进行分析和鉴定。一个比较重要的应用可以作为药品质量监管。设想一下制药厂的流水线上安装一台THz时域光谱仪，从药厂出厂的每一片药都进行光谱测量，并与标准的药物进行光谱对比，合格的将进入下一个环节，否则在流水线上将劣质药片清除掉，避免不同药片或不同批次药片的品质差异，保证药品的品质。

THz成像技术

跟其他波段的成像技术一样，THz成像技术也是利用THz射线照射被测物，通过物品的透射或反射获得样品的信息，进而成像。THz成像技术可以分为脉冲和连续两种方式。前者具有THz时域光谱技术的特点。同时它可以对物质集团进行功能成像，获得物质内部的折射率分布。例如葵花籽可以和容易获得葵花子的内部信息。图3-4给出了葵花籽样品的实物照片和相应方法重构的THz透射图像，能清晰地分辨果壳的轮廓和隐藏在果壳中果仁的形状，这是最希望的。同样，如果样品是人的牙齿，那么牙齿的正常部分与损蛀部分将很容易的区分开，同时不必照射x射线，对人体没有附加伤害。

太赫兹波

安全检查

利用安全检查应该说是现阶段最吸引人的THz技术，它的本质原理是THz成像，目前由于目前主要采用连续波THz源，而且又由于它要解决的是目前最受人关注的反恐、缉毒等最让人关注的问题，所以单列出来。目前英国发展的THz安检设备已经进入试用阶段。由于THz射线的穿透性和对金属材料的强反射特性，并且THz的高频率使得成像的分辨率更高，所以可以很容易看到隐藏在衣物、鞋内的刀具、枪械等物品。同时如果结合THz的物质鉴别特性，能够区分你身上是否携带炸药或毒品。首都师范大学THz实验室已经建立了常见的炸药和毒品的数据谱库，可以设想再过几年，可以真正在机场见到真正的THz安检的设备。另外，世界范围内引起社会动荡的自杀式炸弹恐怖袭击，也可以利用THz安检设备进行防范。因为站岗的可以不再是士兵或保安人员，而是THz安检仪，人们不需要靠近可疑分子就可以对其进行检查。

THz雷达

实际上也是成像的一种。鉴于大气中水分对THz射线的强吸收作用，所以近距离雷达是THz射线的优势所在。一个非常让人向往的应用是穿墙雷达和探雷雷达，当然也可以用于抗震救灾中遇难者的搜救，目前还处于研发阶段。这是由于墙壁，木材等材料对THz透过，而人体包含大量水分，不透过THz，因此可以透过墙壁侦查到屋内的人员的分布和活动，将反恐怖反绑架起到深远的影响，同理也可以用于废墟下人体的寻找。而探雷雷达是由于地雷一般在地表或地表附近，而干燥的泥土可以透过THz射线，而地雷将会把THz射线反射回来，从而可以发现目标。

天文学

在宇宙中，大量的物质在发出THz电磁波。炭（C）、水（H2O）、一氧化碳（CO）、氮（N2）、氧（O2）等大量的分子可以在THz频段进行探测。而这些物质在应用THz技术以前一部分根本无法探测而另一部分只能在海拔很高或者月球表面才可以探测到。

通信技术

THz用于通信可以获得10GB/s的无线传输速度，特别是卫星通信，由于在外太空，近似真空的状态下，不用考虑水分的影响，这比当前的超宽带技术快几百至一千多倍。这就使得THz通信可以以极高的带宽进行高保密卫星通信。虽然由于缺乏高效的THz发射天线和源，使其还无法在通信领域商业化，但这必将由新型的发射装置和发射源所解决。

太赫兹辐射

德国研究人员利用超级计算机计算发现，利用强烈的太赫兹辐射，可实现在不到万亿分之一秒内瞬间将微量水烧开。

太赫兹辐射是指频率从0．1太赫兹到10太赫兹，波长介于毫米波与红外线之间的电磁辐射区域。一太赫兹等于一千亿赫兹。

德国电子同步加速器研究所报告说，强烈的太赫兹辐射可引发水分子剧烈震动，打断水分子间的氢键。这种方法可将约一纳升（十亿分之一升）水在半皮秒（一皮秒为一万亿分之一秒）内加热至600摄氏度。

报告指出，一纳升水虽然听起来不多，但对很多实验来讲已经足够。一皮秒比一眨眼的时间还要快很多，因此这种烧开水的方法可称得上是迄今最快的。

虽然这一“烧水”法尚未投入实践，但研究人员表示，水在许多化学与生物过程中扮演重要角色，新发现或可为化学与生物领域提供更多实验可能。

生物医学

中国工程院院士杜祥琬院士指出，在所有物理技术中，电磁波技术对医学的促进作用尤其突出。从1901年X线获得第一届诺贝尔物理学奖开始，已有5项与生物医学相关的诺贝尔奖授予了X光谱技术领域。

太赫兹技术在生物医学方面的应用，生物大分子相互作用是重大生命现象与病变产生的关键动因，而太赫兹光子能量覆盖了生物大分子空间构象的能级范围。该频段包含了其他电磁波段无法探测到的直接代表生物大分子功能的空间构象等重要信息。因此，可以发展一种利用太赫兹探测和干预生物大分子相互作用过程的新理论和新技术，为当前重大疾病诊断、有效干预提供先进的技术手段。

中国工程物理研究院流体物理研究所李泽仁研究员也表示，目前通过国家对太赫兹源、探测器及成像系统等关键技术与仪器设备的大力支持，我国已基本具备开展太赫兹生物医学研究的基础。

其他

此外，太赫兹在半导体材料、高温超导材料的性质研究等领域也有广泛的应用。研究该频段不仅将推动理论研究工作的重大发展，而且对固态电子学和电路技术也将提出重大挑战。

目前，笼统的说THz技术的研究主要围绕三大部分内容展开，THz产生源、THz探测和应用研究。目前最大的困难还是没有高功率便携式连续可调的成本较低的THz发射源和满足现实要求的滤光片，另外也没有能够常温下直接探测太赫兹射线的被动式探测器。

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