太赫兹(THz)技术
太赫兹(THz)技术
一、基本概念 (1)
1. 太赫兹波 (1)
2. 太赫兹波的特点 (1)
二、国内外研究现状 (2)
1. 美国 (3)
2. 欧洲 (3)
3. 亚洲 (3)
三、太赫兹技术的应用 (4)
1. 太赫兹雷达和成像 (4)
2. 太赫兹通信 (5)
3. 太赫兹安全检查 (6)
4. 太赫兹无损检测 (7)
5. 环境探测 (7)
6. 生物医学 (8)
7. 天文观测 (8)
8. 材料特性的研究 (9)
四、太赫兹技术的研究内容 (9)
1. 太赫兹辐射源 (9)
2. 太赫兹波段信号的探测 (10)
3. 太赫兹功能器件 (10)
五、我们能做些什么 (10)
一、基本概念
1.太赫兹波
太赫兹(Terahertz)一词是弗莱明(Fleming)于1974年首次提出的，用来描述迈克尔逊干涉仪的光谱线频率范围。太赫兹(THz, 1THz=1012Hz)频段是指频率从十分之几到十几太赫兹，介于毫米波与红外光之间相当宽范围的电磁辐射区域。THz波又被称为T射线，在频域上处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，在电子学向光子学的过渡区域。长期以来由于缺乏有效的THz辐射产生和检测方法，对于该波段的了解有限，使得THz成为电磁波谱中最后一个未被全面研究的频率窗口，被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙”（Terahertz Gap）。
2.太赫兹波的特点
THz波具有很多独特的性质。从频谱上看，THz 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， THz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, THz波段的能量介于电子和光子之间。 THz的特殊电磁波谱位置赋予它很多优越的特性，有非常重要的学术价值和应用价值，得到了全世界各国研究人员的极大关注。
THz 波的频率范围处于电子学与光子学的交叉区域。在长波方向，它与毫米波有重叠，在短波方向，它与红外线有重叠。在频域上， THz处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区。由于其所处的特殊位置，THz波表现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性质：
1)THz脉冲的典型脉宽在亚皮秒量级，不但可以方便地对各种材料进行亚皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪音的干扰，得到具有很高信噪比(大于) THz电磁波时域谱，并且具有对黑
体辐射或者热背景不敏感的优点。
2)THz脉冲通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从GHz 至几十THz的范围，便于在大范围里分析物质的光谱性质。
3)THz波的相干性源于其产生机制，它是由相干电流驱动的偶极子振荡产生，或是由相干的激光脉冲通过非线性光学差频效应产生THz波的时域光谱技术(THz-TDS)直接测量THz波的时域电场，通过傅立叶变换给出THz 波的振幅和相位。因此，无需使用Kramers-Kronig色散关系，就可以提供介电常数的实部和虚部。这使测得的与THz波相互作用的介质折射率和吸收系数变得更精确。
4)THz波的光子能量较低，1THz频率处的光子能量大约只有4mV，比X 射线的光子能量弱107～108倍。因此,THz波不会对生物组织产生导致电离和破坏的有害光，特别适合于对生物组织进行活体检查。
5)THz光子能量约为可见光，用THz做信息载体比用可见光和近中红外光能量效率高得多。
6)THz波是具有量子特性的电磁波，具有类似微波的穿透能力，同时又具有类似光波的方向性。THz波也可以被特定的准光学器件反射、聚焦和准直，可以在特定的波导中传输。THz波对于很多非极性物质具有较强的穿透能力，可以穿透很多对于可见光和红外线不透明的物质(如塑料、陶瓷、有机织物、木材、纸张等)，因而可用来对已经包装的物品进行质检或者用于安全检查。
7)凝聚态体系的声子吸收很多位于THz波段，自由电子对THz波也有很强的吸收和散射，THz时域光谱技术是一个研究凝聚态材料中物理过程的很好的工具。特别是许多有机分子在THz波段呈现出强烈的吸收和色散特性，不同分子对于THz波的吸收和色散特性是与分子的振动和转动能级有关的偶极跃迁相联系的，而分子的偶极跃迁犹如人的指纹，是千差万别的，因此，可以通过光谱分析实现分子的识别，就如同识别人的指纹一样。THz光谱通过介电函数的实部和虚部来描述分子的转动和振动。大多数极性分子如水分子、氨分子等对THz辐射有强烈的吸收，可以通过分析它们的特征谱研究物质成分或者进行产品质量控制。二、国内外研究现状
由于THz所处的特殊电磁波谱的位置，它有很多优越的特性，有非常重要的
学术和应用价值，使得THz受到全世界各国政府的支持，并给予极大的关注。美国、欧州和日本尤为重视。
1.美国
2004年美国把TH z作为改变未来世界的十大技术之一，并于2006年把其列为国防重点科学。在美国包括常青藤大学在内有数十所大学都在从事THz的研究工作，特别是美国重要的国家实验室，如LLNL、LBNL、SLAC、JPL、BNL、NRL、ALS、ORNL等，另外还有一些公司如Bell、IBM等都在开展THz科学技术的研究工作。美国的政府机构如：美国国家基金会( NSF)、国家航天局(NASA )、能源部(DOE)和国家卫生学会(NIH)等从20世纪90年代中期开始对THz科技研究进行大规模的投入。目前已经研究出的标志性成果是0.225THz机载雷达。
2.欧洲
英国的Rutherford国家实验室，剑桥大学、里兹大学、Strathclyde等十几所大学，德国的KFZ、BESSY、Karlsruhe、Cohn、Hamburg及若干所大学，都积极开展TH z研究工作。欧洲国家还利用欧盟的资金组织了跨国家的多学科参加的大型合作研究项目。在俄国国家科学院专门设立了一个THz研究计划，IAP、 IGP 及一些大学也都在积极开展THz研究工作。另外制定的研究主题主要有THz辐射成像(2004-2008年)，分子生物学研究( 2004-2009年)，THz空间天文学( 2005-2009年)，THz遥感(2005-2012年)，光子带隙材料(2004-2009年)，微机械探测器(2006-2015年),其标志性成果是研制出TH z远距离检测系统( 2006年重大项目)。
3.亚洲
在亚洲国家和区域，韩国国立汉城大学、浦项科技大学、国立新加坡大学、台湾大学、台湾清华大学等都积极开展THz研究工作, 并发表了不少有分量的论文。2005年元月，日本把太赫兹技术确立为今后十年内重点开发的国家支柱技术十大重点战略目标之首，并列入日本政府从2006年开始到2010年结束的第3期科学技术基本计划予以支持。东京大学、京都大学、大阪大学、东北大学、福井大学以及SLLSC、 NTT Advanced Techno logy Corporation等公司都大力开展TH z 的研究与开发工作。日本在研制太赫兹技术的标志性成功是2006年研制出15km 的THz无线通信演示系统，完成世界上首例THz通信演示。除此之外，日本还与欧美合作，成立ALMA计划，建设全球最大的射电天文亚毫米波干涉阵，计划投资10
亿美元，每年开展三方研讨会，该计划受到欧美日政府的高度重视。
我国政府在2005年11月专门召开了香山科学会议，邀请国内多位在THz研究领域有影响的院士专门讨论我国THz事业的发展方向，并制定了我国THz技术的发展规划。我国的THz学科研究受到政府和各研究机构的广泛重视。国家科技部、国家自然科学基金委、863计划(民口和军口)及第270次香山科学会议等都将太赫兹科学技术列为研究主题。
三、太赫兹技术的应用
太赫兹技术之所以具有特别的吸引力，是由于太赫兹辐射的如下特点：约50% 的宇宙空间光子能量、大量星际分子的特征谱线在太赫兹范围内；大量有机分子转动和振动跃迁、半导体的子带和微带能量在太赫兹范围内；太赫兹辐射能穿透非金属和非极性材料，穿透烟雾和浮尘；太赫兹光子能量小，不会引起生物组织的光致电离。因此，太赫兹技术在物体成像、环境监测、医疗诊断、射线天文、宽带通信、雷达等领域具有重大的科学价值和广阔的应用前景。在世界范围，太赫兹辐射物理及其应用研究方兴未艾。
由于信息化武器装备的工作频段逐步从微波及可见光区域向太赫兹波段延伸，太赫兹科学技术在军事上的重要性不言而喻。谁优先掌握这一重要频段的相关技术，谁就有可能在军事上领先一个时代。我们应该抓住太赫兹科学技术刚刚起步的机遇，不失时机地加速开展太赫兹领域的理论与应用研究，为我国的经济发展和国防建设做出贡献。
太赫兹波的频率介于微波与红外之间，因此太赫兹系统兼顾电子学系统和光学系统的优势。作为一个尚待深入开发的频段资源，太赫兹波在军事上，尤其在雷达及目标识别、宽带通信、危险物探测和无损检测等方面具有潜在的应用前景。在雷达及目标识别方面。相对于微波，太赫兹波波长短、波束窄、方向性好，因此作用在目标上的功率密度高，成像的分辨率高，系统的体积小、易于实现空间功率合成。相对于红外及可见光，太赫兹波波束宽度适中，易于实现对目标的跟踪瞄准；穿透性能好，能以较小的损耗穿透沙尘烟雾及非金属材料。
1.太赫兹雷达和成像
太赫兹波在雷达、目标识别、引信及精确制导方面具有潜在的应用前景。利
用太赫兹波方向性强、能量集中的特点，可制作高分辨率的战场雷达和低仰角的跟踪雷达。利用太赫兹波穿透物质成像技术，可以探测隐藏在覆盖物或烟尘中的军事装备。利用太赫兹波穿透沙尘烟雾的能力，可以制作全天候导航系统，在浓雾中指挥飞机着陆。太赫兹波的频谱宽，可跨越目前隐身技术所能对抗的波段，因此以太赫兹波作为辐射源的超宽带雷达能够获取隐身飞行器的图像。成像识别是太赫兹技术的一个重要应用领域，也是军事上实现目标监视、追踪、识别的重要技术手段，实现多光谱成像（高光谱及超光谱成像）、三维成像。据报道，美国已经研制出0.225 太赫兹的机载雷达。
太赫兹雷达系统包括辐射源以及探测散射辐射的系统。太赫兹时域光谱系统经改进后就能成为脉冲散射测量系统。通过可偏转的反射镜将太赫兹光束打到目标物上，而后调整太赫兹探测器就可接收到散射辐射。这种结构的优点是，除了获知目标的位置和形状，利用太赫兹时域光谱系统还可以探得物体的材料特性。
2.太赫兹通信
太赫兹频段位于红外线和高频无线电之间，是目前手机通信频带宽度的1000倍左右，是很好的宽带信息载体。太赫兹无线通信的传输速度快，而且有极高的方向性和较强的云雾穿透能力，适合于高保密卫星通信及战地高速短距离无线通信。太赫兹通信还处在发展的初级阶段，这一频段的数据传输直到近几年才得以实现（2006 年研制出传输距离1.5 千米的太赫兹无线通信演示系统），离“太赫兹通信时代”的1 太比特/秒有效数据传输率还有相当距离，但是其广阔的发展前景令人神往。目前，在美国联邦通信委员会的通信频谱分配图中，对太赫兹所在的高于300吉赫的频段尚没有进行分配，这是一块未开垦的“处女地”。
太赫兹在350、450、620、735 和870 微米波长附近，有相对透明的大气窗口，可以用于太赫兹空间通信。太赫兹波在外层空间可以无损耗地传输，用很小的功率实现远距离通信，而且相对于光学通信来说，波束较宽、容易对准，量子噪声较低，天线系统可以实现小型化、平面化。
太赫兹波在空间技术上的一个重要应用，就是与重返大气层的飞行器（如导弹、飞船等）进行通信。当飞行器重返大气层时，由于空气摩擦产生高温，飞行器周围的空气被电离形成等离子体，使通信遥测信号迅速衰减以至中断。此时，
太赫兹系统是惟一有效的通信工具。太赫兹信号在大气中传输距离有限，且指向性很好，这些特性有利于在战场环境中提供近距离保密战术通信。在某些情况中，鉴于作战地带通信声道的混乱和拥塞，有限的传输距离反而成为优势。大气衰减有利于实现隐蔽的近距离通信，因为太赫兹信号根本无法传播到远处敌人的监听站，使敌人无法在通信途中探测、截取、阻塞或“造假”传输信号。倘若太赫兹通信设备能够做得足够小而轻，则可以实现班排级单位甚至单兵之间的通信。3.太赫兹安全检查
太赫兹具有隔着衣物探测金属物品能力，可用于机场等重要场所的安全检查。太赫兹探测装置不仅可以显示隐藏物的形状，而且能够确定物品的化学成分，因此具有检查爆炸物和生化武器的能力，可用于人员及邮件等物品的检查、战场化学成分寻迹等。
太赫兹安全检查是一种结合太赫兹光谱技术、太赫兹成像技术的综合应用，可用于毒品、爆炸物、大分子生物以及武器、炸弹的探测，对公共安全和国土防御起到重要作用。这是由于，多种爆炸物、毒品分子的振动和转动能级谱处于太赫兹频段（100吉赫～10太赫）。太赫兹光谱和成像技术不同于X射线和超声成像等手段, 不仅可以提供物体形状, 而且测得的光谱信息与已有的爆炸物和毒品的太赫兹谱库进行比较，可用于材料特性识别。利用太赫兹时域光谱测量（TDS）技术可以得到这些特征谱，进而分析物质的内部结构信息。在美国“9.11”事件后，发展监控、探测、辨别隐藏的危险物品（如捆绑在人身上的塑性炸药或信封中的生物药剂）的全新方法，对公共安全越来越重要。由于吸毒贩毒活动的日渐猖獗，如何有效地探测毒品并进行品种和纯度的快速、精确检定，无论是在缉毒领域还是对毒贩量刑方面，都极为重要。
复杂的有机分子（如毒气战剂）在太赫兹波段存在转动吸收光谱。太赫兹光谱技术对此非常灵敏，目前在实验室中能够辨别十亿分之一浓度的气体分子，并通过烟雾中的反向散射体直接获取足够的信息。另外，生物战剂（如炭疽）在太赫兹波段有明显的声子共振现象，也同样可以探测到。通过标识出它们在大气中的散布范围，可以提示战斗人员及时采取防护措施，避免误入化学毒气或生物战剂沾染地域。
太赫兹波可穿透衣物、纸张、塑料、皮革和陶瓷等绝缘材料，而且光子能量
很低，不会在生物组织中产生有害的光致电离。因此，太赫兹成像技术是探测人员藏匿及包装内隐蔽危险物的一种极具竞争力的方法，可以在机场、车站等地对行李、物品、旅客进行安全检测。金属探测器和X 射线系统是探测隐蔽武器的传统方法，但金属探测器无法探测到陶瓷手枪、塑料刀具和塑料炸弹，难以区别普通的金属物品和凶器；X射线系统对人体的可能危害妨碍了它的使用。太赫兹成像技术能够穿透一般的衣物探查到隐蔽物体，成像分辨率比微波要高，而且可以进一步发展为远距离太赫兹成像，在50甚至100米以外对可疑人身和物品进行检查。
4.太赫兹无损检测
太赫兹脉冲成像技术还被用于探测航天飞机隔离层泡沫材料中的缺陷。通过逐点扫描得到各部分的时域波形，然后分析波形的变化来判断缺陷的大小、形状、位置和种类。2003年2月1日，美国哥伦比亚号航天飞机返回地球时在62千米高空发生爆炸，机上7名宇航员遇难。事故调查委员会把这一悲剧归因于，一块手提箱大小的外置燃料箱泡沫隔热层在起飞过程中发生脱离，然后砸破航天飞机左翼隔热板。当航天飞机重返大气层时，3000℃的高温气体从破洞中进入，导致机毁人亡。据称在以前的发射中，泡沫隔热材料撞击航天飞机的情况至少发生过7次。因此，泡沫材料中缺陷的检查成为了确保航天飞机发射安全的关键所在。太赫兹波成像被美国宇航局选为未来探测泡沫隔热材料缺陷的4种技术之一，其他3种是X光成像、超声波成像和激光剪切力成像。业已证明，泡沫塑料在太赫兹波段具有非常低的吸收率和折射率，太赫兹波可以穿过几英寸厚的泡沫材料，并探测到深埋其中的缺陷。传统成像技术只能提供每个像素的强度信息，而太赫兹时域成像记录了每个像素点上太赫兹脉冲的整个时域波形，从而提供了多维信息。
5.环境探测
THz技术能够对固体、气体、液体及火焰等介质的电学、声学性质及化学成分进行研究。科研人员可利用TH z穿透烟雾来检测出大气中的有毒或有害分子, 因此可用于环境的污染检测。由于THz波同样能够被大气层中的水、氧气、氮化物等物质所吸收, 我们可以通过卫星携带的THz探测器来实现对大气中气体含量及分布进行检测, 然后通过大气THz微量分子变化来监测全球气候变暖问题。
2004年美国国防部DARPA 投入大量的资金, 研制THz成像阵列技术,并最终研制出便携式、远距离THz成像雷达, 它可以在沙尘暴、浓烟及海上浓雾中寻找
目标并清晰成像。由此可以看出, 在空间及环境探测应用中, THz表现出以下优点:
(1)全天候能力;
(2)反目标隐蔽能力强;
(3)抗背景杂波干扰能力强;
(4)特别的穿透探测和识别能力;
(5)可实现三维成像。
6.生物医学
生物体对TH z波具有独特的响应,而且很多生物大分子如DNA分子的旋转及振动能级多处于THz波段, 所以THz在蛋白质等生物大分子无标志识别应用中有着举足轻重的作用。由于THz具有类似X射线的穿透能力, 且其光子能量小,不会引起生物组织的光离化,所以在生物医学成像方面非常安全,适合于生物医学成像。Chen等人利用THz技术测量了乳腺正常组织和肿瘤病变组织部分的不同光谱, 发现癌变组织和正常组织的TH z波具有不同的振幅、波形和时延。因此, 我们可以通过THz对病变细胞的识别, 实现皮肤癌、乳腺癌的早期诊断和预防。太赫兹辐射不仅在皮肤癌检测上得到应用,而且还在生物芯片和生物传感器方面发展迅速。另外,由于大量有机分子转动和振动跃迁、半导体的子带和微带能量在THz范围, 所以THz有助于指纹识别、结构表征及分子生物信息应用的发展, 如通过TH z来分析药物的物理、化学及生物成分、波谱特性、分子、量子相互作用过程等重要信息来对药物生产质量进行控制。
7.天文观测
THz在天文学上占有极为重要的地位,是射电天文学上极重要的波段,它可以结合卫星实现空间成像。我们还可以根据星际、星系际大气分子特征谱及行星和小星体的大气动力学原理, 通过THz来完成许多天文方面的应用。此外,为更好地实现天文观测, 国际上也部署了一些大型THz天文计划, 如SMA 和ALMA 计划等, SMA 计划中的干涉阵是国际上目前唯一在运行的亚毫米波。美国在南极也部署了最好的地面亚毫米波站, 利用TH z望远镜观察到很多重要的新星体, 这
对于研究宇宙的起源和星体的形成起到了不可估量的作用。
8.材料特性的研究
太赫兹光谱系统的一项主要应用就是研究材料的特性，特别是轻分子和半导体。太赫兹光谱技术已经被用来定出掺杂半导体如GaAs和Si晶片的载流子的富集度和迁移率。Drude 模型被用来联系与频率有关的介电响应和自由载流子动态特性，包括等离子的角频率和阻尼率之间的关系。一项重要的研究集中在薄膜的介电常数的测量上。高温超导体的特性研究是太赫兹光谱技术应用的另一个重要领域。一些超导薄膜已经使用太赫兹光谱技术研究了包括穿透深度和超导能隙等的性质。THz-TDS 已经被用来研究新超导材料MgB2的性质。这种材料有高达39 K 的超导转变温度，但是这种材料在理论上并没有被很好地理解。THz-TDS技术定出这种材料的超导能隙大约是5meV。这个数字只有目前理论预言的数值的一半,显示这种材料有着复杂的相互作用。使用光学抽运的太赫兹测量系统可以揭示材料的更多的信息. 在这一实验技术中,先使用超快光脉冲激发材料,然后太赫兹脉冲被用来探测被激发的材料的动态远红外光学特性。Leitenstorfer等人使用光抽运的太赫兹系统研究了GaAs中被超快光脉冲激发的电荷－空穴等离子体中电荷－电荷之间相互作用的时间演化。这项研究为量子运动学对库仑场建立和屏蔽形成准粒子作出的理论预言提供了实验证据。
四、太赫兹技术的研究内容
1.太赫兹辐射源
THz辐射源的研究是THz领域科技发展的核心研究内容。早在上个世纪20年代就有科学家对太赫兹波产生了浓厚的科学兴趣，但其产生方法与探测手段与十分成熟的微波、光学技术相比仍然十分落后，以目前的电子学和光子学理论与技术在太赫兹波段都难于独立解决，所以直到80年代中期，科学家对于该波段电磁辐射性质的了解都非常有限，形成了原红外线和毫米波之间所谓的“太赫兹空白隙”（Terahertz Gap）。
常见的THz 波的产生方法有4 种：半导体THz源(包括THz 量子级联激光器等)、基于光子学的THz发生器、利用自由电子的THz 辐射源(包括THz 真空器件，电子回旋脉塞和自由电子激光) 和基于高能加速器的THz 辐射源。如何
有效的产生高功率、高能量、高效率且能在室温下稳定运转、宽带可调的THz 辐射源，是太赫兹科学研究中最基本、最关键和最急迫的问题，受到国际科学界的高度重视。
2.太赫兹波段信号的探测
在THz 波段的开发和利用中，信号的检测具有重要意义。与较短波长相比，THz波段光子能量低,背景噪声常常占据显著的地位。为了充分发挥THz系统的作用(例如，发现更微弱的目标、在更远的距离上通讯等等)，不断提高接收的灵敏度也是必然的追求。在不同的频率应选择不同的检测器。在THz的低端，一般倾向于外差式的检测器，而在THz的高端，直接检测器的灵敏度更好一些。常见的探测分类方法如下表所示。
3.太赫兹功能器件
为了组成THz系统,例如THz成像和THz波谱等,除了THz源和检测系统外,其内部连接也是非常重要的,所以需要一些功能器件,如传输系统、谐振系统等。因此,以波导为基础的太赫兹器件就成了太赫兹传输的重要基础,也是太赫兹波能否广泛应用的关键。近年越来越多的科学家投人到该领域的研究中,因而出现了诸如太赫兹金属波导、光子晶体波导、光子晶体光纤、聚合物波导、塑料带状波导和蓝宝石光纤等不同类型的太赫兹波导器件,它们不但在传输性能方面愈显其优越性,而且体积越来越小,便于制成集成器件。
五、我们能做些什么
不同频率的电磁波及太赫兹的简介
不同频率的电磁波及太赫兹的简介 一．电磁波介绍 不同频率的电磁波电与磁可以说是一体两面，变化的电场会产生磁场（即电流会产生磁场），变化的磁场则会产生电场。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场[1]，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，电磁的变动就如同微风轻拂水面产生水波一般，因此被称为电磁波，也常称为电波。电磁波能有效的传递能量和动量。电磁波是电磁场的一种运动形态。 从科学的角度来说，电磁波是能量的一种，凡是高于绝对零度的物体，都会释出电磁波。 当电磁波频率低时，主要藉由有形的导电体才能传递；当频率渐提高时，电磁波就会外溢到导体之外，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。举例来说，太阳与地球之间的距离非常遥远，但在户外时，我们仍然能感受到和煦阳光的光与热，这就好比是「电磁辐射即由辐射现象传递能量」的原理一样。 在高频电磁振荡的情况下，部分能量以辐射方式从空间传播出去所形成的电波与磁波的总称叫做“电磁波”。在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去。然而，在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能全部返回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去。 电磁波为横波。电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变，其强度与距离的平方成反比，波本身带动能量，任何位臵之能量功率与振幅的平方成正比。其速度等于光速（每秒3×1010厘米）。光波就是电磁波。在空间传播的电磁波，距离最近的电场（磁场）强度
方向相同和量值最大两点之间的距离，就是电磁波的波长。 无线电波3000米～0.3毫米。 红外线0.3毫米～0.75微米 可见光0.7微米～0.4微米。 紫外线0.4微米～10毫微米 X射线10毫微米～0.1毫微米 γ射线0.1毫微米～0.001毫微米 宇宙射线小于0.001毫微米 传真（电视）用的波长是3～6米；雷达用的波长更短，3米到几毫米。 电磁波在传播中携有能量，可以作为信息的载体。这就为无线电通信、广播、电视、遥感等技术开阔了道路。 电磁波的能量大小由坡印廷矢量决定，即S=E×H,其中s为坡印庭矢量，E 为电场强度，H为磁场强度。E、H、S彼此垂直构成右手螺旋关系；即由S代表单位时间流过与之垂直的单位面积的电磁能。 电磁波具有能量，电磁波是一种物质。 二．太赫兹简介 1．简介 太赫兹电磁脉冲或称为THz波（太赫兹波）或称为T射线（太赫兹射线）是从上个世纪80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科学家们将统称为远红外射线。太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长大概在0.03到3mm范围，这一波段的电磁辐射具有很强的透视能力，可以作为一种特殊的
太赫兹技术及其应用概述
太赫兹技术及其应用概述 来源：互联网 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
太赫兹科学技术的军事应用
太赫兹（Terahertz，缩写为THz）是频率单位, 1太赫兹等于1012赫兹。太赫兹波是指频率0.1～10太赫兹、介于毫米波和红外线之间的电磁波。太赫兹科学技术泛指直接研究和应用太赫兹波本身，以及利用太赫兹波研究开发的所有理论和应用，是一个非常重要、尚未开发的前沿领域。 太赫兹技术之所以具有特别的吸引力，是由于太赫兹辐射的如下特点：约50%的宇宙空间光子能量、大量星际分子的特征谱线在太赫兹范围内；大量有机分子转动和振动跃迁、半导体的子带和微带能量在太赫兹范围内；太赫兹辐射能穿透非金属和非极性材料，穿透烟雾和浮尘；太赫兹光子能量小，不会引起生物组织的光致电离。因此，太赫兹技术在物体成像、环境监测、医疗诊断、射线天文、宽带通信、雷达等领域具有重大的科学价值和广阔的应用前景。 在世界范围，太赫兹辐射物理及其应用研究方兴未艾。包括美国国防部、航空航天局在内，全世界已有100多个机构在从事相关研究，例如，日本政府把太赫兹技术确立为“国家支柱技术十大重点战略目标之首”予以支持。由于信息化武器装备的工作频段逐步从微波及可见光区域向太赫兹波段延伸，太赫兹科学技术在军事上的重要性不言而喻。谁优先掌握这一重要频段的相关技术，谁就有可能在军事上领先一个时代。我们应该抓住太赫兹科学技术刚刚起步的机遇，不失时机地加速开展太赫兹领域的理 太赫兹科学技术的军事应用 张振伟 牧凯军 张存林 论与应用研究，为我国的经济发展和国防建设做出贡献。 太赫兹波在军事上的优势 太赫兹波的频率介于微波与红外之间，因此太 赫兹系统兼顾电子学系统和光学系统的优势。作为 美国能源部的宣传页，从中可以一窥太赫兹技术的概貌。 电磁波谱图，注意太赫兹波段的位置。
【2019年整理】太赫兹技术发展展望
太赫兹技术发展展望 1 太赫兹波简介 1.1 太赫兹波发现 按传统的分类形式，电磁波分成无线电波、红外线、可见光、紫外线、α射线、γ射线等。随着对电磁波的深入研究，人们发现在电磁波谱中还有一个很特 殊的位置，如图 1.1所示。 这就是太赫兹波即THz波（太赫兹波）或称为THz射线（太赫兹射线），是从上个世纪80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科学家们将统称为远 红外射线。太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长大概在0.03到3mm范围，介于微波与红外之间。实际上，早在一百年前，就有科学工作者 涉及过这一波段。在1896年和1897年，Rubens和Nichols就涉及到这一波段，红外光谱到达9um（0.009mm）和20um（0.02mm），之后又有到达50um的记载。之后的近百年时间，远红外技术取得了许多成果，并且已经产业化。但是涉及太赫兹波段的研究结果和数据非常少，主要是受到有效太赫兹产生源和灵敏探测器 的限制，因此这一波段也被称为THz间隙。随着80年代一系列新技术、新材料的发展，特别是超快技术的发展，使得获得宽带稳定的脉冲THz源成为一种准常规技术，THz技术得以迅速发展，并在实际范围内掀起一股THz研究热潮。 1.2 太赫兹波的特点 目前，国际上对太赫兹辐射已达成如下共识，即太赫兹是一种新的、有很多
独特优点的辐射源；太赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿领域，给技术创新、国民经济发展和国家安全提供了一个非常诱人的机遇。 （1）量子能量和黑体温度很低： Wave number Wavelength Frequency Energy Blackbody Temp. 1cm-110mm30GHz120μeV 1.5K 10cm-11mm300GHz 1.2meV15K 33cm-1300μm1THz 4.1meV48K 100cm-1100μm3THz12meV140K 200cm-150μm6THz25meV290K 670cm-115μm20THz83meV960K （2）许多生物大分子，如有机分子的振动和旋转频率都在THz波段，所以在THz波段表现出很强的吸收和谐振。 （3）THz辐射能以很小的衰减穿透物质如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等，因此可用其探测低浓度极化气体，适用于控制污染。THz辐射可无损穿透墙壁、布料，使得其能在某些特殊领域发挥作用。 （4）THz的时域频谱信噪比很高，这使得THz非常适用于成像应用 （5）带宽很宽（0.1—10T）Hz。 （6）很短的THz脉冲却有着非常宽的带宽和不同寻常的特点。 在我国未来的太空研究和探月计划中, THz波也可以提供包括星球表面特性和极区辐射特性的诸多重要信息。综上所述, THz科学不仅是科学技术发展中的重要基础问题,又是国家新一代信息产业、国家安全以及基础科学发展的重 大需求,对国民经济以及国防建设具有重大的意义。与此相适应,世界各国都对THz波的研究给予极大的关注,并部署了多个重大的国家级以及国际合作研究 计划,取得了一些突破性的成果,有些已具有实用价值。另一方面,国内在THz 研究的理论和实验方面也取得了一些重要成果,在国际上产生了一定的影响,为我国THz技术的研究和发展打下了扎实的基础。
第十二章 太赫兹成像在生物医学中的应用
第十二章太赫兹成像在生物医学中的应用 12.1 发展机遇 太赫兹科学在医学方面存在大量机遇。例如，它可以帮助人们提高空间分辨率和数据获取速率；还能帮助人们更好地理解太赫兹在复杂介质中的传播；再如发展内窥镜来观察体内的上皮表层。 太赫兹科学在医学中应用的最好例子如图 12-1所示。利用太赫兹反射式成像，研究人员无需进入到生物体内就可以确定细胞癌肿瘤的范围和深度。另外，利用太赫兹技术还可以探测X射线所无法成像的龋齿，以及对骨组织的进行三维成像。 12.2 应用潜力 太赫兹辐射有望成为一种新的医学成像技术。水虽能强烈吸收太赫兹辐射，但不同组织中的水含量、结构和化学成分的差异正好产生了成像对比度。对于牙齿、皮肤、乳房等器官的研究表明：太赫兹成像能发现其它成像技术无法观察到的特征。图 12-1就表明了太赫兹技术作为诊断工具的潜力。图中(a)部分给出了一个典型的皮肤癌的图像，从该图很难确定这个体内癌变的范围和深度。图 (b)和(c)中给出了它的宽带太赫兹反射图。其中(b)利用表面细节特征进行了一定的优化处理。(c)对200-300μm米的深度进行了优化处理。这两副图显示出了(a)中所无法看到的肿瘤范围。将(d)和(e)中标准的病理学照片与以上这些成像照片作对比，由这些图可以看出太赫兹成像技术在医学上的实力。
图 12-1 皮肤创伤的太赫兹图像 12.3 基本原理 太赫兹辐射具有对生物材料高分辨率（100μm）成像的潜力，因为它的成像对比度机制和目前的成像技术不同。虽然核磁共振能在不同深度成像，同时还会提供一些化学信息，但它不适用于表面或很薄的上皮组织层成像。超声技术基于组织对声波的反射和吸收，其分辨率极限为500μm。目前，研究人员有可能实现太赫兹技术与超声成像技术的相互结合。光学层析(OCT)技术利用飞秒近红外光在表面或表面附近成像。该技术可以提供很高的分辨率和真实的结构信息，但成像的深度限制在1-1.25mm，而且其对比度机制基于组织中光学参数的变化。另外还有一些采用共焦结构或高频谱成像的光学技术，它们也能用于组织的表征成像。值得一提的是，上述的所有光学方法和太赫兹成像技术都是相容的。 太赫兹成像可以提供组织表层下1-2cm的信息，而这一深度取决于组织中的水含量。虽然太赫兹图像的对比度与水含量有关，但局部环境的改变对观察到的信号也有显著的影响。在波导中传输的太赫兹或许能促进内窥方面的应用，同时探测器技术和成像算法的改进应该会使成像质量得到进一步提高。 12.4 太赫兹在生物医学中的应用 在生命科学和医学诊断学领域，太赫兹成像技术势必会与已有的成像技术相抗衡，甚至会超越后者。在这一领域中，太赫兹成像有着巨大的潜力。它是研究树木年代学、病理学等的有力工具。 12.4.1 树密度测绘 树木的宏观密度是木材和纸厂的一个关键参量，而且在木材加工过程中还是要经常测定它的宏观密度。但是从科学角度来说，还是木材的微观密度波动比较有研究价值。特别地，与树的年轮相关的不同密度有着非常高的利用价值，是树木年代学研究领域的中心。从这些年轮的密度轮廓，树木年代学家能得到气候变化的情况及过去几个世纪的森林燧石信息。 太赫兹成像能够有效的对数密度进行测量。为证明这一点，现以水青冈（山毛榉）实验为例。由于太赫兹辐射对水有很高的灵敏度，所以先将14×14×1.7mm3
射电天文及太赫兹技术的应用与发展
射电天文及太赫兹技术的应用与发展 目录： 1. 射电天文学的介绍； 2. 太赫兹波段的特点； 3. 太赫兹科学技术与应用发展； 4. 高度灵敏探测技术和超导技术的发展； 5. SMA及ALMA计划，后端频谱处理技术，南极天文台太赫兹望远镜计划介绍。 摘要：射电天文学理论认为由于地球大气的阻拦，从天体来的无线电波只有波长约1毫米到30米左右的才能到达地面，绝大部分的射电天文研究都是在这个波段内进行的。射电天文学以无线电接收技术为观测手段，观测的对象遍及所有天体：从近处的太阳系天体到银河系中的各种对象，直到极其遥远的银河系以外的目标。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。 关键词：射电天文太赫兹超导 正文： 一：射电天文： 对于研究射电天体来说，测到它的无线电波只是一个最基本的要求。人们还可以应用颇为简单的原理，制造出射电频谱仪和射电偏振计，用以测量天体的射电频谱和偏振。研究射电天体的进一步的要求是精测它的位置和描绘它的图像。一般说来，只有把射电天体的位置测准到几角秒，才能够较好地在光学照片上认出它所对应的天体，从而深入了解它的性质。为此，就必须把射电望远镜造得很大，比如说，大到好几公里。这必然会带来机械制造上很大的困难。因此，人们曾认为射电天文在测位和成像上难以与光学天文相比。可是，五十年代以后，射电望远镜的发展，特别是射电干涉仪（由两面射电望远镜放在一定距离上组成的系统）的发展，使测量射电天体位置的精度稳步提高。五十年代到六十年代前期，在英国剑桥，利用许多具射电干涉仪构成了“综合孔径”，系统，并且用这种系统首次有效地描绘了天体的精细射电图像。接着，荷兰、美国、澳大利亚等国也相继发展了这种设备。到七十年代后期，工作在短厘米波段的综合孔径系统所取得的天体射电图像细节精度已达2″，可与地面上的光学望远镜拍摄的照片媲美。射电干涉仪的应用还导致了六十年代末甚长基线干涉仪的发明。这种干涉仪的两面射电望远镜之间，距离长达几千公里，乃至上万公里。用它测量射电天体的位置，已能达到千分之几角秒的精度。七十年代中，在美国完成了多具甚长基线干涉仪的组合观测，不断取得重要的结果。
第一届全国太赫兹科学技术学术年会会议手册
第一届全国太赫兹科学技术学术年会 会议手册 2015.3.25-27四川成都 主办单位：太赫兹科学协同创新中心，中国电子学会太赫兹分会 承办单位：自然科学基金-中科院太赫兹科学技术前沿发展战略研究基地，863-12专家组，中国电子科技集团公司第十三研究所专用集成电路 国家级重点实验室，电子科技大学物理电子学院 金牌赞助商：成都至上兴邦科技有限公司
第一届全国太赫兹科学技术学术年会 会议组织机构 大会主席：刘盛纲院士 大会委员会： 高级顾问：陈佳洱院士、周炳琨院士 主席团：刘盛纲院士、吴培亨院士、姚建铨院士、庄松林院士、范滇元院士、杨国桢院士、褚君浩院士、龚知本院士、樊明武院士、刘永坦院士、雷啸霖院士、吴一戎院士、李树深院士、金亚秋院士、许宁生院士、牛憨笨院士、彭堃墀院士、王育竹院士、朱中梁院士、涂铭旌院士、林祥棣院士、姜文汉院士、郭光灿院士、李言荣院士、龚克教授、谢维信教授 委员：陈健、罗先刚、刘濮鲲、蒋亚东、曹俊诚、张存林、崔铁军、冯志红、汪力、张伟力、唐传祥、金飚兵、王华兵、常胜江、盛政明、施卫、秦华、刘峰奇、刘伟伟、朱亦鸣、王金淑、姜万顺、杨梓强、鄢扬 会议执行主席：喻胜 会议秘书长：张雅鑫 副秘书长：钟任斌
第一届全国太赫兹科学技术学术年会 会议安排 会议时间：2015年3月25日-27日 时间安排： ●3月25日报道 ●3月26-27日会议 会议地点：电子科技大学沙河校区一教 会议报告形式： ●4份大会特邀报告（报告时间35分钟，提问时间5分钟） ●23份主题报告（报告时间20分钟，提问时间5分钟） ●20份口头报告（报告时间12分钟，提问时间3分钟） ●63份张贴报告 参展公司： 金牌赞助：成都至上兴邦科技有限公司 会议赞助：上海铭剑科技有限公司 （按笔画排名）中国电子科技集团公司第四十一研究所 北京先锋科技有限公司 成都美克锐科技有限公司
太赫兹技术及其在研究领域的应用
太赫兹技术及其在研究领域的应用 摘要：简要介绍了太赫兹技术的国内外发展状况，由于太赫兹波在电磁波谱中的特殊位置，其表现出优越的特性，太赫兹科学技术已成为本世纪最为重要的科技问题之一。通过对太赫兹基础研究领域的分析，阐明了太赫兹波的作用机理及相关器件的发展。太赫兹技术在成像、通讯、航空及生物医药等领域有着广阔的应用前景。随着技术理论的不断发展及成熟，太赫兹技术必将对国民经济和国家安全产生重大影响。 关键词：太赫兹；太赫兹技术；基础研究；太赫兹应用 Terahertz technology and its applications in research field Abstract：The development of Terahertz technology at home and abroad is briefly summarized, and the special position of THz wave in electromagnetic spectrum, it shows the superior characteristic. So Terahertz Science and technology has become one of the most important scientific and technological problems in this century. Through the analysis of the THz basic research field, the mechanism of THz wave and the development of the related devices are elucidated. THz technology has broad application in imaging, communications, aviation and biomedical and other fields. With the development of technology theory, THz technology will have a great impact on national economy and national security. Key words：Terahertz; Terahertz technology; basic research; Terahertz application 0 引言 随着现代科学技术的迅猛发展、各国之间科技竞争的加剧及社会信息化进程的不断加快，高新技术越来越成为各个国家之间竞争力水平的标志。太赫兹技术由于其一系列的优点及其广泛的应用价值成为世界各国研究机构关注的焦点，太赫兹技术也成为本世纪重大新兴科学技术领域之一[1]。太赫兹波是指频率范围为0.1~10.0THz的电磁波，波长范围为0.03~3.00mm，介于微波频段与红外之间，兼具二者的优点[2]（如图1所示）。它的长波段与毫米波(亚毫米波)相重合，其发主要依靠电子学科学技术；在短波段与红外线相重合，主要依靠光子学科技术发展，可见太赫兹波是宏观电子学向微观电子学过渡的频段，在电子波频谱中占有很特殊的位置，表现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性能。但长期以来由于缺乏有效的太赫兹辐射产生和检测方法，导致太赫兹频段的电磁波未得到充分的研究和应用，被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙(THz gap)”。从过去二十多年前开始，随着太赫兹辐射源和太赫兹探测器的相继问世，太赫兹技术的研究和应用才有了较快发展，在医疗诊断、雷达通讯、物体成像、宽带移动通信、军事航空等领域显示了重大的科学价值及实用前景，与此同时，其他方面的工程应用潜力也受到关注。
太赫兹技术各种应用
太赫兹技术各种应用 “Terahcrtz”一词是弗莱明（Fletning）于1974年首次提出的，用来描述迈克尔逊干涉仪的光谱线频率范围。太赫兹频段是指频率从十分之几到十几太赫兹，介于毫米波与红外光之间相当宽范围的电磁辐射区域，THz波又被称为T-射线，在频域上处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，在电子学向光子学的过渡区域，长期以来由于缺乏有效的THz辐射产生和检测方法，对于该波段的了解有限，使得THz成为电磁波谱中最后一个未被全面研究的频率窗口，被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙（THzGap）” THz波具有很多独特的性质，从频谱上看，THz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，THz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，THz波段的能量介于电子和光子之间。THz的特殊电磁波谱位置赋予它很多优越的特性，有非常重要的学术价值和应用价值，得到了全世界各国研究人员的极大关注，美国、欧洲和日本尤为重视。2004年美国技术评论（TechonlogyReview）评选“改变未来世界十大技术”时，将THz技术作为其中的紧迫技术之一。2005年日本政府公布了国家10大支柱技术发展战略规划，THz位列首位。 一、THz波的特性 THz波的频率范围处于电子学与光子学的交叉区域.在长波方向，它与毫米波有重叠；在短波方向，它与红外线有重叠；在频域上，THz处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区。由于其所处的特殊位置，THz波表现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性质： 1、THz脉冲的典型脉宽在亚皮秒量级，不但可以方便地对各种材料进行亚皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，而且通过取样测量技术 能够有效地抑制背景辐射噪音的干扰，得到具有很高信噪比（大于）THz电磁波时域谱，并且具有对黑体辐射或者热背景不敏感的优点； 2、THz脉冲通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从CHz至几十THz的范围，便于在大范围里分析物质的光谱性质； 3、THz波的相干性源于其产生机制，它是由相干电流驱动的偶极子振荡产生，或是由相干的激光脉冲通过非线性光学差频效应产生。THz波的时域光谱技术（THz-TDS）直接测量THz波的时域电场，通过傅立叶变换给出THz波的振幅和相位。因此，无需使用Kramers-Kronig 色散关系，就可以提供介电常数的实部和虚部。这使测得的与THz波相互作用的介质折射率和吸收系数变得更精确； 4、THz波的光子能量较低，1THz频率处的光子能量大约只有4mV https://www.wendangku.net/doc/1212832934.html, 光子能量，比X射线的光子能量弱107--108倍。因此，THz波不会对生物组织产生导致电离和破坏的有害光，特别适合于对生物组织进行活体检查； 5、THz光子能量约为可见光，用THz做信息载体比用可见光和近中红外光能量效率高得多；
太赫兹波的特点
太赫兹波的特点 ?（1）高透射性：太赫兹对许多介电材料和非极性物质具有良好的穿透性，可对不透明物体进行透视成像，是X 射线成像和超声波成像技术的有效互补，可用于安检或质检过程中的无损检测。 （2）低能量性：太赫兹光子能量为4.1meV（毫电子伏特），只是X 射线光子能量的108 分之一。太赫兹辐射不会导致光致电离而破坏被检物质，非常适用于针对人体或其他生物样品的活体检查。进而能方便地提取样品的折射率和吸收系数等信息。 （3）吸水性：水对太赫兹辐射有极强的吸收性，因为肿瘤组织中水分含量与正常组织明显不同，所以可通过分析组织中的水分含量来确定肿瘤的位置。 （4）瞬态性：太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒数量级，可以方便地对各种材料包括液体、气体、半导体、高温超导体、铁磁体等进行时间分辨光谱的研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰。 （5）相干性：太赫兹的相干性源于其相干产生机制。太赫兹相干测量技术能够直接测量电场的振幅和相位，从而方便地提取样品的折射率、吸收系数、消光系数、介电常数等光学参数。 （6）指纹光谱：太赫兹波段包含了丰富的物理和化学信息。大多数极性分子和生物大分子的振动和转能级跃迁都处在太赫兹波段，所以根据这些指纹谱，太赫兹光谱成像技术能够分辨物体的形貌，分析物体的物理化学性质，为缉毒、反恐、排爆等提供相关的理论依据和探测技术。 太赫兹波的产生 ?（1）通过FTIR（Fourier Transform Infrared Spectrometer）使用热辐射源产生，如汞灯和SiC棒； （2）是通过非线性光混频产生； （3）是通过电子振荡辐射产生，如反波管、耿式振荡器及肖特基二极管产生； （4）是通过气体激光器、半导体激光器、自由电子激光器等THz激光器直接产生。目前产生THz脉冲常用的方法有光导天线法、光整流法、THz参量振荡器法、空气等离子体法等，其中空气等离子体能产生相对较高强度的THz波而备受关注，此外，还可以用半导体表面产生THz波。 太赫兹波的研究现状 ?太赫兹波现象其实早已为人们所发现，然而早期因缺乏有效的太赫兹波产生和探测技术，使得相关研究进展极其缓慢[2]。进入20世纪80年代后，激光技术的迅速发展为研究有效太赫兹波的产生和探测技术孕育了基础。据文献报道，1983年 D.H.Anston[3]首次利用光学技术，通过超短激光脉冲激发光电导天线产生了相干脉 冲宽带THz辐射。鉴于D.H.Auston做出的巨大贡献，光导天线后来常被称为“Auston switeh”。紧接着，D.Grischkowsky和D.H.Auston等又开发出了基于超短激光脉冲激发光电导天线的THz时域光谱探测技术。这种基于基于超短激光脉冲激发光电导天线的太赫兹波产生和探测技术至今仍然是实验设备应用的主流。1990-1992年，X.C.zhang和D.H.Auston[4]等又提出了原理上完全不同的太赫兹波产生与探测方法一基于瞬态电光取样及其逆过程的THz产生与探测技术。 至此，太赫兹波的产生与探测技术虽然还不成熟，但已经能够用于相关仪器的制造与生产，为科研人员研究太赫兹波与物质相互作用提供了必备的实验手段。太赫兹科学和技术有极大的应用潜力，但目前还受太赫兹辐射源的限制，比如：产生的太赫兹辐射强度不高、带宽不够宽、能量转化效率低等因素，所以太赫兹领域的发展还需更大的努力。
太赫兹应用及其产生方法
太赫兹及其产生方法 摘要：太赫兹技术是20世纪80年代末产生的一种高新技术，近年来颇受关注。它在基础研究、生物科学等众多领域都有非常重要的应用前景。THz波具有很多的优越性，具有重要的研究价值。本文简要的介绍了THz波及其在公共安全、环境探测、生物医学、天文观测、军事及通信方面的应用，然后深入的阐述了THz波的产生方法。 关键词：THz波的应用THz波产生方法 1.引言 随着现代科学技术的发展、国际竞争的加剧以及社会信息化进程不断加快，各种各样的新技术、新思想大量涌现出来。从云计算到物联网，从激光到太赫兹技术的出现都给了我们很大的机遇，同时也存在一定的挑战。为在国际竞争中立于不败之地，我们国家在“十二五”战略新兴产业发展重点中提出了应大力发展信息产业、生物产业、航空航天产业、新能源产业、新材料产业、节能环保产业、新能源汽车产等新型产业，另外国家还确定了五项科技领域，而太赫兹技术在这些领域的探索及应用中起着举足轻重的作用。 2.太赫兹简介及其应用 2.1太赫兹简介 太赫兹通常是指频率在0.1~10THz的电磁波，是上个世纪八十年代中后期才被正式命名的，在此之前科学家们称其为远红外射线。实际上早在一百年前，就有科学工作者涉及过这一波段。随着80年代一系列新技术、新材料的发展，特别是超快技术的发展，使得获得宽带稳定的脉冲THz源成为一种准常规技术，THz技术得以迅速发展，并在实际范围内掀起一股THz研究热潮。2004年，美国政府将THz科技评为“改变未来世界的十大技术”之一，而日本于2005年1月8日更是将THz技术列为“国家支柱十大重点战略目标”之首，举全国之力进行研发。我国政府在2005年11月专门召开了“香山科技会议”，邀请国内多位在THz研究领域有影响的院士专门讨论我国THz事业的发展方向，并制定了我国THz技术的发展规划。另外，美国、欧洲、亚洲、澳大利亚等许多国家和地区政府、机构、企业、大学和研究机构纷纷投入到THz的研发热潮之中。 2.2 THz的应用 由于太赫兹的频率很高，所以其空间分辨率也很，又由于它的脉冲很短，所以具有很高的时间分辨率。由此，太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。太赫兹的独特性能给公共安全、环境探测、生物医学、天文观测、军事及通信等领域带来了深远的影响。
太赫兹技术及其应用研究
太赫兹技术及其应用研究 姓名：王结库 学号：0710940414 专业班级：电科074 指导老师：于莉媛
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
太赫兹技术及其应用详解
太赫兹技术及其应用详解 太赫兹研究主要集中在0.1-10 THz 频段。这是一个覆盖很广泛并且很特殊的一个频谱区域。起初，这一频段被称为THz Gap （太赫兹鸿沟），原因是这一频段夹在两个发展相对成熟的频，即电子学频谱和光学频谱之间。其低频段与电子学领域的毫米波频段有重叠，高频段与光学领域的远红外频段（波长0.03-1.0 mm）有重叠。由于这一领域的特殊性，形成了早期研究的空白区。但随着研究的开展，太赫兹频谱与技术对物理、化学、生物、电子、射电天文等领域的重要性逐渐显现，其应用也开始渗透到社会经济以及国家安全的很多方面，如生物成像、THz 波谱快速检测、高速通信、穿墙雷达等。太赫兹之所以具有良好的应用前景，主要得益于其光谱分辨力、安全性、透视性、瞬态性和宽带等特性。例如：自然界中许多生物大分子的振动和旋转频率都处在太赫兹频段，这对检测生物信息提供了一种有效的手段; 太赫兹频段光子能量较低，不会对探测体造成损坏，可以实现无损检测; 太赫兹波对介质材料有着良好的穿透能力，从而可作为探测隐蔽物体的手段; 太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒量级，可以得到高信噪比的太赫兹时域谱，易于对各种材料进行光谱分析; 此外，太赫兹频段的带宽很宽，从0.1-10 THz可为超高速通信提供丰富的频谱资源。 相对于毫米波技术，太赫兹技术的研究还处在探索阶段。太赫兹技术主要包括太赫兹波源、太赫兹传输和太赫兹检测等，其关键部件可以分为无源元件和有源器件。无源元件包括太赫兹传输线、滤波器、耦合器、天线等，而有源器件包括太赫兹混频器、倍频器、检波器、放大器、振荡器等。 1、太赫兹源伴随着太赫兹波生成技术的发展，太赫兹源的研究已有很多有价值的新进展。研发低成本、高功率、室温稳定的太赫兹源是发展太赫兹技术的基础。太赫兹源的分类多种多样，按照产生机理，可以分为基于光学效应和基于电子学的太赫兹源。按照源类型可以分成3 类：非相干热辐射源、宽带太赫兹辐射源以及窄带太赫兹连续波源。
浅谈太赫兹科学与技术
浅谈太赫兹科学与技术 人类对太赫兹(THz)辐射的认识可以追溯到20世纪初天体物理学家开始进行红外天文学的研究,远处天体上的简单分子如一氧化碳等的振动和转动特征光谱会在太赫兹波段上留下印迹。时至今日, 红外天文学仍是天体物理研究的一个热点领域。但是直到过去的二十年时间里, 伴随着更大功率的太赫兹辐射源和更加灵敏的探测装置的发展, 太赫兹研究才得以快速的发展。 太赫兹辐射可定义为0.1~10太赫波段的电磁波振荡。太赫兹波段在电磁波谱上处在红外辐射和微波之间, 比太赫兹频率更高的红外波段以及更低的微波波段分别属于已经发展得非常成熟的光学和电子学的研究范畴。相比较而言, 材料在太赫兹波段的性质则尚未被深入研究人们对太赫兹波段的认识首先得益于过去二十年中超快光电子学的发展。从1980年代利用飞秒激光脉冲在半导体表面实现太赫兹脉冲的发射和探测开始, 物理学家在发展和使用太赫兹技术方面已经取得了很多研究成果。例如, 发明太赫兹量子级联激光器, 利用太赫兹技术检测飞摩尔含量的无标记DNA单碱基对的差异, 研究多粒子电荷体系与太赫兹光谱相互作用, 利用太赫兹技术对航天飞机隔热材料的无损探伤和近场的太赫兹显微技术等。太赫兹技术正从实验室走向实际应用 太赫兹辐射光源及探测技术 制约太赫兹科学发展的主要因素是缺乏高功率并可在室温下稳定工作的太赫兹辐射源。当今高速电子学和激光科学的发展提供了一系列已有的和有潜力的太赫兹光源。这些太赫兹光源可以被分为非相于的热辐射源、宽波段太赫兹脉冲和窄波段的连续波太赫兹辐射。 热辐射太赫兹源 自然界中存在着丰富的太赫兹辐射, 比如宇宙大爆炸背景辐射的一半能量集中在太赫兹波段, 室温物体热辐射的峰值频率则处于6太赫左右。实际应用中使用的非相干的太赫兹热辐射源利用太赫兹波段的黑体辐射作为太赫兹光源。这一光源通常与红外傅里叶变换光谱仪(FTIR)配合使用,FTIR是化学研究中最常见的用来研究分子共振的手段之一, 其优越性是具有很宽的光谱波段, 可以用来研究材料从太赫兹到近红外波段的光谱性质在FTIR的实验中, 宽波段的辐射源通常由电弧灯或加热的SIC棒担任, 样品被置于一个光学干涉仪系统中, 通过改变干涉仪的一个臂的行程, 并利用一个直接的强度测量装置, 如液氦冷却的热辐射测量仪(bololleter)来测量于涉信号。FTIR系统的缺点是其有限的光谱分辨率和在低频(小于3太赫)较低的灵敏度。
太赫兹技术的军事应用前景
太赫兹技术的军事应用前景 太赫兹（THz）波是电磁波谱家族中的一员，它的频率范围为0.1—10THz，相应的波长范围为3mm—30μm，介于微波和红外线之间，是人类目前尚未完全开发的波谱“空隙”区。20世纪80年代中期以前，由于缺乏有效产生和检测太赫兹波的方法，人们对该频段电磁辐射性质的了解非常有限，因此其发展受到很大限制，应用潜能也未能得到充分发挥。近十几年，由于超快激光技术以及一系列的新技术、新材料的发展和应用，极大地促进了对太赫兹辐射机理、检测、成像和应用技术的研发，使其迅速成为一门新的极具活力的前沿领域。太赫兹波所具有的一些特性在军事领域中的应用正在逐步被开发出来。 一、太赫兹波的特点“透析” 太赫兹波频率范围是处于电子学和光子学的交叉区域，相对于其它波段的电磁波，如微波和x射线等，具有非常强的互补特征。 1.特别的穿透能力 THz辐射能以很小的衰减穿透如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等物质，还可无损穿透墙壁、沙尘烟雾，使得其能在某些特殊领域发挥作用。如太赫兹探测器可直接发射太赫兹波透过墙壁，于室外对室内进行探测，免去需将探测设施置于室内的麻烦。这特别适于防暴警察与室内歹徒对峙时，可从墙外掌握室内情况，如歹徒位置、武器配置等,极大的确保警方安全。 2.较高的探测安全性 由于太赫兹波的光子能量很低，只有几个毫电子伏特，当它穿透过物质时，不易发生电离，因而可用来进行安全的无损检测。太赫兹的光子能量很低，只有毫电子伏特，因此不容易破坏被检测物质。如果用太赫兹检测物质，就可以发现内部瑕疵而又不损害该物质。不同于X射线，太赫兹射线是一种不电离的射线，所以，太赫兹波适合于对生物组织进行活体检查。它们还可以穿透衣服、包装，甚至于渗透人体几毫米深，因此，太赫兹波也是安全检查和医学应用的理想工具。例如，用于人体成像的X光的光子能量高，对人体所造成非常大的伤害，而应用太赫兹技术制成的成像设备，则能将这种照射对人体的伤害降低100万倍。 3.较强的识别物质和成像能力 研究表明大量有机分子、半导体能量特征在太赫兹范围，每种材料的太赫兹频谱特征是不同的。只要建立了这些物质的太赫兹频谱特征数据库，就可以采取“指纹”识别的方法来进行检测。太赫兹波除了识别物质外，还可以通过反射波的测量得到物质的图像。利用成像系统把成像样品振幅或相位信息进行处理和分析，就可以得到样品的THz图像。太赫兹波成像的一个显著特点是信息量大，可准确显示物质的内外部信息。目前太赫兹显微成像的分辨率已达到几十微米。 4.大容量、高保密的宽带信息载体 太赫兹波的频带宽、测量信噪比高，适合于大容量与高保密的数据传输，而且太赫兹波处于高载波频率范围，是目前手机通信频率的1000倍左右，可提供10 GB/s的无线传输速
太赫兹的功效与作用
太赫兹的功效与作用： 太赫兹波对人体的好处： 01、激活生物大分子的活性，使人体的分子能够被激发而处于较高振动状态。这样便激活了核酸蛋白质等人体大小分子的活性，从而发挥了人体大分子调节机体代谢等活动的功能，有利于机能的恢复和平衡，达到防病治病的目的。 02、促进和改善血液循环。太赫兹波作用于皮肤后，大部分能量被皮肤所吸收并转化为热能，引起皮温升高，刺激皮肤内热感受器，通过丘脑反射，使血管平滑肌松弛，血管扩张，血液循环加快。另一方面，由于热作用，引起血管活性物质的释放，血管张力降低，浅小动脉，浅毛细管和浅静脉扩张，血液循环加快。 03、增强新陈代谢，如果人体的新陈代谢发生紊乱，引起体内外物质的交换失常，那么，各种疾病将会不约而至，诸如水和电解质代谢的紊乱，将给生命带来危险；糖代谢紊乱所致的糖尿病；脂代谢紊乱引起的高脂血症，肥胖症；蛋白质代谢紊乱引起痛风等等。太赫兹波热效应,可以增加细胞的活力调整神经液机体,加强新陈代谢，使体内外的物质交换处于平稳状态。 04、提高人体功能：是人体的一种生理保护反应，它包括细胞和体液两种，对人体防御功能和抗感染作用有极其重要的作用。经临床观察，太赫兹能量穿戴确有提高机体的细胞吞噬功能，增强人体的细胞和人体液功能，有利于人体的健康。
05、镇痛消炎消肿作用：太赫兹波的热效应，降低了神经末梢的兴奋性，血液循环的改善，水肿的消退，减轻了神经末梢的化学和机械刺激。以上种种原因，均起到缓解疼痛的作用。 06、调节自律神经，激活生物分子链活性，有效增加末端微循环。 07、护肤美容，皮肤自主呼吸顺畅，可有效排出皮肤内的毒素，减缓色斑，预防青春痘等常见皮肤亚健康状态。 08、女性乳腺患者，可加快微循环，促进血液循环，明显改善瘀、堵不畅所引发的乳房胀痛、乳叶增生等不适感。 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。 THz太赫兹波介于电磁波和光波之间 是电磁波和光波的源头，具有电磁波和光波的双重作用 对人体而言，接近中医讲的元气 所有生命从生到老到病到死，就是THz太赫兹波不断衰减导致
太赫兹技术空间应用进展分析与展望
2017年第2期 空间电子技术 SPACE ELECTRONIC TECHNOLOGY1太赫兹技术空间应用进展分析与展望0 雷红文，王虎，杨旭，段崇棣 (中国空间技术研究院西安分院，西安710000) 摘要：太赫兹波处于l〇n~l〇13H z,介于微波和远红外之间，是极具研究和开发价值的新频率资源。近年来，随着空间栽荷技术的飞速发展，太赫兹频段的空间栽荷所表现出来的高分辨率性能和轻小型化特点更是让人叹服，由于国内外研究机构越来越重视太赫兹技术,太赫兹空间栽荷系统方面的开发和应用研究获得了极大的发展。文 中详细介绍了国内外对太赫兹技术的空间应用，并且指出了发展方向。 关键词：太赫兹技术;太赫兹遥感；太赫兹通信；太赫兹雷达;应用进展 中图分类号:V474 文献标识码:A 文章编号= 1674-7135(2017) 02-0001-07 D O I：10.3969/j.issn. 1674-7135.2017.02.001 Analysis and Progress of Terahertz Techniques Applied in Space Science LEI Hong-wen,WANG Hu,YANG Xu,DUAN Chong-di (China Academy of Space Technology( Xi ’ a n)，Xi ’ an 710000,China) Abstract ：Terahertz band shows a good research and application prospect because it is located between infrared and millimeter wave(10n ?1013Hz).With the development of space technology，the high resolution and miniaturization of the THz systems is amazed.The space systems of the THz technology are developed rapidly due to research institute the pay at-tention to it. The space applications and its development of Terahertz technology were presented in this paper. Key words：THz technology；THz remote sensing；THz communication；THz radar；Apply progress 〇引言 太赫兹波通常是指频率位于〇.1?10 T H z之间 的电磁波，该频段波长为3 mm~30 pm,是宏观电子 学向微观电子学过渡的波段。由于波长短，光子能 量低，该波段的器件研制对加工精度、半导体材料和 工艺有着苛刻的要求，直到加工工艺的提升和技术 的进步，太赫兹技术才迎来了逐步的发展。经过近 三十年的高速发展，该波段的理论机理研究日益完 善。各种太赫兹源和探测方式的涌现，扫除了太赫 兹技术研究的障碍，而各类系统和器件成熟化、商业 化，已把太赫兹技术推向市场应用。曾经的太赫兹 频谱“空白”，现已成为科学研究和科技创新的热点少J i] <<—-〇 与两侧较为熟知的毫米波与红外光相似，该波 段的系统应用具有其独特性，已获得了国内外大量 研究者的关注。如太赫兹频谱区域聚集了丰富的频 谱特征，这些谱特征与基本的物理过程如分子的转 动跃迁、有机化合物的大振幅振动、固体的晶格振 动、半导体的带内跃迁和超导体的能带带隙相关，这 使得太赫兹波在气象遥感、深空探测、天文探测和频 谱分析等方面应用广泛;太赫兹波频率高，可承载带 宽大，小口径天线具有高增益，可实现数十Gb p s传 输速率的轻小型化安全保密和抗干扰的通信系统终 端;而太赫兹波对大部分非金属材料和沙尘烟雾的 ①收稿日期:2016-11 -30;修回日期：2017-01 -11。 基金项目：国家自然科学基金（11505135; 61501367)。 作者简介:雷红文（1985—），博士,研究方向为空间微波、毫米波、太赫兹技术。