太赫茲:波動頻率單位-中文百科頻道

曆史

早期太赫茲在不同的領域有不同的名稱，在光學領域被稱為遠紅外，而在電子學領域，則稱其為亞毫米波、超微波等。在20世紀80年代中期之前，太赫茲波段兩側的紅外和微波技術發展相對比較成熟，但是人們對太赫茲波段的認識仍然非常有限，形成了所謂的“THz Gap”。

2004年，美國政府将THz科技評為“改變未來世界的十大技術”之一，而日本于2005年1月8日更是将THz技術列為“國家支柱十大重點戰略目标”之首，舉全國之力進行研發。

政府在2005年11月專門召開了“香山科技會議”，邀請國内多位在THz研究領域有影響的院士專門讨論THz事業的發展方向，并制定了THz技術的發展規劃。

目前國内已經有多家研究機構開展太赫茲領域的相關研究，其中首都師範大學，是入手較早，投入較大的一家，并且在毒品和炸藥太赫茲光譜、成像和識别方面，利用太赫茲對非極性航天材料内部缺陷進行無損檢測方面做出了許多開拓性的工作，同時由于太赫茲射線在安全檢查方面的獨特優勢，首都師範大學太赫茲實驗室正集中力量研發能夠用于實景測試的安檢原型設備。

另外，美國、歐洲、亞洲、澳大利亞等許多國家和地區政府、機構、企業、大學和研究機構紛紛投入到THz的研發熱潮之中。THz研究領域的開拓者之一，美國著名學者張希成博士稱：“Next ray，T-Ray！”。

定義

THz波（太赫茲波）包含了頻率為0.3到3THz的電磁波。該術語适用于從電磁輻射的毫米波波段的高頻邊緣（300GHz）和低頻率的遠紅外光譜帶邊緣（3000GHz）之間的頻率，對應的波長的輻射在該頻帶範圍從1mm到0.1mm（或100μm）。

特點

人們關注THz技術的原因是THz射線普遍存在，是人們認識自然界的有效線索和工具。但是相對于其他波段的電磁波比如紅外和微波，對它的認識和應用非常匮乏。其次，THz射線有它自身的特點。

THz脈沖的典型脈寬在皮秒量級，不但可以方便地進行時間分辯的研究，而且通過取樣測量技術，能夠有效地抑制遠紅外背景噪聲的幹擾。目前，脈沖THz輻射通常隻有較低的THz射線平均功率，但是由于THz脈沖有很高的峰值功率，并且采用相幹探測技術獲得的是THz脈沖的實時功率而不是平均功率，因此有很高的信噪比。目前，在時域光譜系統中的信噪比可達10^5或更高。

THz脈沖源通常隻包含若幹個周期的電磁振蕩，單個脈沖的頻帶可以覆蓋從GHz直至幾十THz的範圍，許多生物大分子的振動和轉動能級，電介質、半導體材料、超導材料、薄膜材料等的聲子振動能級落在THz波段範圍。因此THz時域光譜技術作為探測材料在THz波段信息的一種有效的手段，非常适合于測量材料吸收光譜，可用于進行定性鑒别的工作。

THz光子的能量低，頻率為1THz的光子能量隻有約4毫電子伏特，因此不容易破壞被檢測物質。

許多的非金屬非極性材料對THz射線的吸收較小，因此結合相應的技術，使得探測材料内部信息成為可能。例如，陶瓷，硬紙闆，塑料制品，泡沫等對THz電磁輻射是透明的，因此THz技術可以作為x射線的非電離和相幹的互補輻射源，用于機場、車站等地方的安全監測，比如探查隐藏的走私物品包括槍械、爆炸物、和毒品等，以及用于集成電路焊接情況的檢測等。

極性物質對THz電磁輻射的吸收比較強，特别是水，THz光譜技術中應采取各種措施避免水分的影響，不過在THz成像技術中，可以利用這一特性分辨生物組織的不同狀态，比如動物組織中脂肪和肌肉的分布，診斷人體燒傷部位的損傷程度，及植物葉片組織的水分含量分布等。

太赫茲成像技術與其他波段的成像技術相比，它所得到的探測圖像的分辨率和景深都有明顯的增加（超聲、紅外、X－射線技術也能提高圖像分辨率，但是毫米波技術卻沒有明顯的提高）。另外太赫茲技術還有許多獨特的特性，如在非均勻的物質中有較少的散射，能夠探測和測量水汽含量等等。

太赫茲光譜技術不僅信噪比高，能夠迅速地對樣品組成的細微變化作出分析和鑒别，而且太赫茲光譜技術是一種非接觸測量技術，使它能夠對半導體、電介質薄膜及體材料的物理信息進行快速準确的測量。鑒于THz射線的特點，必将給通信、雷達、天文、醫學成像、生物化學物品鑒定、材料學、安全檢查等領域帶來深遠的影響，進而改變人們的生産生活。

應用

太赫茲成像技術和太赫茲波譜技術由此構成了太赫茲應用的兩個主要關鍵技術。同時，由于太赫茲能量很小，不會對物質産生破壞作用，所以與X射線相比更具有優勢。

THz時域光譜技術

目前已經開始商業化運作，世界範圍内已經有多家企業開始生産商用THz時域光譜儀，主要是美國，歐洲和日本的廠家。THz時域光譜技術的基本原理是利用飛秒脈沖産生并探測時間分辨的THz電場，通過傅立葉變換獲得被測物品的光譜信息，由于大分子的振動和轉動能級大多在THz波段，而大分子，特别是生物和化學大分子是具有本身物性的物質集團，進而可以通過特征頻率對物質結構、物性進行分析和鑒定。一個比較重要的應用可以作為藥品質量監管。

設想一下制藥廠的流水線上安裝一台THz時域光譜儀，從藥廠出廠的每一片藥都進行光譜測量，并與标準的藥物進行光譜對比，合格的将進入下一個環節，否則在流水線上将劣質藥片清除掉，避免不同藥片或不同批次藥片的品質差異，保證藥品的品質。

THz成像技術

跟其他波段的成像技術一樣，THz成像技術也是利用THz射線照射被測物，通過物品的透射或反射獲得樣品的信息，進而成像。THz成像技術可以分為脈沖和連續兩種方式。前者具有THz時域光譜技術的特點。同時它可以對物質集團進行功能成像，獲得物質内部的折射率分布。例如葵花籽可以和容易獲得葵花子的内部信息。

給出了葵花籽樣品的實物照片和相應方法重構的THz透射圖像，能清晰地分辨果殼的輪廓和隐藏在果殼中果仁的形狀，這是最希望的。同樣，如果樣品是人的牙齒，那麼牙齒的正常部分與損蛀部分将很容易的區分開，同時不必照射x射線，對人體沒有附加傷害。

安全檢查

利用安全檢查應該說是現階段最吸引人的THz技術，它的本質原理是THz成像，目前由于目前主要采用連續波THz源，而且又由于它要解決的是目前最受人關注的反恐、緝毒等最讓人關注的問題，所以單列出來。

目前英國發展的THz安檢設備已經進入試用階段。由于THz射線的穿透性和對金屬材料的強反射特性，并且THz的高頻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、槍械等物品。同時如果結合THz的物質鑒别特性，能夠區分你身上是否攜帶炸藥或毒品。

首都師範大學THz實驗室已經建立了常見的炸藥和毒品的數據譜庫，可以設想再過幾年，可以真正在機場見到真正的THz安檢的設備。另外，世界範圍内引起社會動蕩的自殺式炸彈恐怖襲擊，也可以利用THz安檢設備進行防範。因為站崗的可以不再是士兵或保安人員，而是THz安檢儀，人們不需要靠近可疑分子就可以對其進行檢查。

THz雷達

實際上也是成像的一種。鑒于大氣中水分對THz射線的強吸收作用，所以近距離雷達是THz射線的優勢所在。一個非常讓人向往的應用是穿牆雷達和探雷雷達，當然也可以用于抗震救災中遇難者的搜救，目前還處于研發階段。這是由于牆壁，木材等材料對THz透過，而人體包含大量水分，不透過THz，因此可以透過牆壁偵查到屋内的人員的分布和活動，将反恐怖反綁架起到深遠的影響，同理也可以用于廢墟下人體的尋找。

而探雷雷達是由于地雷一般在地表或地表附近，而幹燥的泥土可以透過THz射線，而地雷将會把THz射線反射回來，從而可以發現目标。

天文學

在宇宙中，大量的物質在發出THz電磁波。炭（C）、水（H2O）、一氧化碳（CO）、氮（N2）、氧（O2）等大量的分子可以在THz頻段進行探測。而這些物質在應用THz技術以前一部分根本無法探測而另一部分隻能在海拔很高或者月球表面才可以探測到。

通信技術

THz用于通信可以獲得10GB/s的無線傳輸速度，特别是衛星通信，由于在外太空，近似真空的狀态下，不用考慮水分的影響，這比當前的超寬帶技術快幾百至一千多倍。這就使得THz通信可以以極高的帶寬進行高保密衛星通信。雖然由于缺乏高效的THz發射天線和源，使其還無法在通信領域商業化，但這必将由新型的發射裝置和發射源所解決。

太赫茲輻射

德國研究人員利用超級計算機計算發現，利用強烈的太赫茲輻射，可實現在不到萬億分之一秒内瞬間将微量水燒開。

太赫茲輻射是指頻率從0．1太赫茲到10太赫茲，波長介于毫米波與紅外線之間的電磁輻射區域。一太赫茲等于一萬億赫茲。

德國電子同步加速器研究所報告說，強烈的太赫茲輻射可引發水分子劇烈震動，打斷水分子間的氫鍵。這種方法可将約一納升（十億分之一升）水在半皮秒（一皮秒為一萬億分之一秒）内加熱至600攝氏度。

報告指出，一納升水雖然聽起來不多，但對很多實驗來講已經足夠。一皮秒比一眨眼的時間還要快很多，因此這種燒開水的方法可稱得上是迄今最快的。

雖然這一“燒水”法尚未投入實踐，但研究人員表示，水在許多化學與生物過程中扮演重要角色，新發現或可為化學與生物領域提供更多實驗可能。

生物醫學

中國工程院院士杜祥琬院士指出，在所有物理技術中，電磁波技術對醫學的促進作用尤其突出。從1901年X線獲得第一屆諾貝爾物理學獎開始，已有5項與生物醫學相關的諾貝爾獎授予了X光譜技術領域。

太赫茲技術在生物醫學方面的應用，生物大分子相互作用是重大生命現象與病變産生的關鍵動因，而太赫茲光子能量覆蓋了生物大分子空間構象的能級範圍。該頻段包含了其他電磁波段無法探測到的直接代表生物大分子功能的空間構象等重要信息。因此，可以發展一種利用太赫茲探測和幹預生物大分子相互作用過程的新理論和新技術，為當前重大疾病診斷、有效幹預提供先進的技術手段。

中國工程物理研究院流體物理研究所李澤仁研究員也表示，目前通過國家對太赫茲源、探測器及成像系統等關鍵技術與儀器設備的大力支持，已基本具備開展太赫茲生物醫學研究的基礎。

其他

此外，太赫茲在半導體材料、高溫超導材料的性質研究等領域也有廣泛的應用。研究該頻段不僅将推動理論研究工作的重大發展，而且對固态電子學和電路技術也将提出重大挑戰。

目前，籠統的說THz技術的研究主要圍繞三大部分内容展開，THz産生源、THz探測和應用研究。目前最大的困難還是沒有高功率便攜式連續可調的成本較低的THz發射源和滿足現實要求的濾光片，另外也沒有能夠常溫下直接探測太赫茲射線的被動式探測器。