第一章 太赫兹波的本性
第一章 太赫兹波的本性
1.1 引言
太赫兹（Terahertz ，THz)波（或称THz辐射、T－射线、亚毫米波、远红外，通常简称为THz）通常指的是频率在0 .1THz～10THz (波长在3mm～30μｍ)范围内的电磁辐射（1THz＝1012Hz）。从频率上看，该波段位于毫米波和红外线之间，属于远红外波段；从能量上看，在电子和光子之间，如图 1.1所示。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”，究其缘由是因为在此频段上，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，从而也就形成了科学家们通常所说的“太赫兹空隙”(THz Gap）。
图1-1 各波段的应用及太赫兹波段在电磁波谱中的位置
1.2 太赫兹波的应用
在20世纪80年代中期以前,由于缺乏有效的太赫兹产生方法和检测手段,科学家对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限。近十几年来,超快激光技术的迅速发
展,为太赫兹脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源,使太赫兹辐射的产生和应用得到了蓬勃发展。
太赫兹的独特性能（见1.3节《太赫兹的独特性质》）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。
（1）THz成像技术：利用THz时域光谱技术可以直接测量THz电磁脉冲所产生的瞬态电磁场，可以直接测得样品的介电常数。而且由于THz电磁波的强透射能力和低辐射能量（对人体完全无害），THz成像技术可以用来检验食品新鲜度，替代医疗X射线透视仪、CT（层析），以及用于机场安全检查和炭疽病菌等生化物品的检查等等。
（2）生物化学技术领域：由于许多生物大分子的转动吸收谱处于THz频段，那么利用对生化反应THz吸收谱的研究可以得到反应中的分子运动状况信息。对于进一步研究生化反应提供了有力的手段。
（3）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。
（4）通信技术：THz用于通信可以获得10GB/s的无线传输速度，这比当前的超宽带技术快几百至一千多倍，而且与可见光和红外线相比它同时具有极高的方向性以及较强的云雾穿透能力。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。
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。
1.3 太赫兹波的独特性质
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。它之所以能够引起人们广泛的关注、有如此之多的应用，首先是因为物质的太赫兹光谱（包括透射谱和反射谱）包含着非常丰富的物理和化学信息，所以研究物质在该波段的光谱对于物质结构的探索具有重要意义；其次是因为太赫兹脉冲光源与传统光源相比具有很多独特的性质。其中最重要的是前四种特性，后三种特性都是基于前四种发展而来。
（1）瞬态性：太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但可以方便地对各种材料(包括液体、半导体、超导体、生物样品等)进行时间分辨的研究，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。目前，辐射强度测量的信噪比可以大于104，远远高于傅立叶变换红外光谱技术，而且其稳定性更好。
（2）宽带性：太赫兹脉冲源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至几十太赫兹的范围，便于在大的范围里分析物质的光谱性质。
（3）相干性：太赫兹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效应（差频）产生。太赫兹相干测量技术能够直接测量出电场的振幅和相位，可以方便地提取样品的折射率、吸收系数，与利用Kramers-Kronig关系来提取材料光学常数的方法相比，大大简化了运算过程，提高了可靠性和精度。
（4）低能性：太赫兹光子的能量只有毫电子伏特，与X射线相比，不会因为电离而破坏被检测的物质。因此我们可以利用太赫兹做无损检测（毫米波、红外、超声技术也都具有这种优势，但是X－射线除外）。
（5）太赫兹辐射对于很多非极性物质，如电介质材料及塑料、纸箱、布料等
包装材料有很强的穿透力, 可用来对已经包装的物品进行质检或者用于安全检查（红外技术，X－射线、超声技术也能实现这种功能）。
（6）大多数极性分子如水分子、氨分子等对太赫兹辐射有强烈的吸收，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。同时，许多极性大分子的振动能级和转动能级正好处于太赫兹频段，使太赫兹光谱技术在分析和研究大分子方面有广阔的应用前景。
（7）如图1-2所示，太赫兹成像技术与其他波段的成像技术相比，它所得到的探测图像的分辨率和景深都有明显的增加（超声、红外、X－射线技术也能提高图像分辨率，但是毫米波技术却没有明显的提高）。另外太赫兹技术还有许多独特的特性，如在非均匀的物质中有较少的散射，能够探测和测量水汽含量等等。
图1-2 太赫兹图象的图象分辨率和景深都有显著的提高
太赫兹光谱技术不仅信噪比高，能够迅速地对样品组成的细微变化作出分析和鉴别，而且太赫兹光谱技术是一种非接触测量技术，使它能够对半导体、电介质薄膜及体材料的物理信息进行快速准确的测量。以上这些特点决定了太赫兹技术在很多基础研究领域、工业应用领域、医学领域、军事领域及生物领域中有重要的应用前景。
1.4 太赫兹波的波动性
干涉
1.4.1 太赫兹波的
既然太赫兹波是电磁波，则它肯定具有电磁波的全部特性，如独立性、叠加性
和相赫兹的波动性。
T-射线杨氏实验
干性等。而干涉现象是波动的特性，干涉图样是波动本性的最可靠、最有力的实验证据，所以只要能观测到强弱按一定规律分布的干涉图样，就能证明太赫兹波的波动性。下面是利用杨氏实验来观察的实验结果，图1-3、图1-4、图1-5都是太赫兹波杨氏实验的结果图，从结果图中可以明显得看出明暗相间的干涉图样，由此
证实了太
图1-3双缝与太赫兹波偏振方向垂直条件下的太赫兹辐射的杨氏干涉图样
图1-4T-射线杨氏双缝干涉实验
图1-5 与频率相关的T-射线杨氏干涉的快摄照片
1.4.2 太赫兹波的衍射
衍射和干涉一样都是十分普遍的现象，太赫兹波的衍射能够进一步揭示出其波
动性来。图1-6、图1-7是太赫兹波的衍射图样，从它们中也可以看到明暗相间的条纹，这样就更加证实了太赫兹波的波动性。
。
图1-6 太赫兹辐射小孔衍射示意图 d sinθ =1.22λ ，d为小孔直径。
图1-7 太赫兹辐射小孔衍射图样
1.5 太赫兹辐射的粒子性
光在传播过程中看起来像连续的电磁波，而它与物质相互作用时又显示出能量、动量的不连续性，后者导致爱因斯坦的光量子概念，这就是光的粒子性。
同样，THz波也具有粒子性。在THz场的作用下，由于量子约束斯塔克效应, 光吸收谱呈现出多个受激载流子吸收峰
最近,强THz场作用下量子阱的带边吸收谱，引起人们的广泛兴趣，并且目前已有许多理论研究。研究结果表明，量子阱在外电场作用下，表现出量子约束斯塔克效应。量子约束斯塔克效应导致带边吸收峰出现红移，并产生边带。比如在太赫兹场作用下GaAs量子阱的光吸收谱。
图1-8 （a）单光子吸收，（b）多光子吸收示意图
图1-8为单光子吸收和多光子吸收示意图。THz波与物质作用后，其光子能量首先转移给电子，然后通过电子转移给晶格。即THz波激发物质后，物质中的载流子吸收THz光子能量。这进一步证实了THz波的粒子性。
学习RFID必须知道的电磁波原理
学习RFID必须知道的电磁波原理、天线知识 一、电磁波产生的基本原理 按照麦克斯韦电磁场理论，变化的电场在其周围空间要产生变化的磁场，而变化的磁场又要产生变化的电场。这样，变化的电场和变化的磁场之间相互依赖，相互激发，交替产生，并以一定速度由近及远地在空间传播出去。 周期性变化的磁场激发周期性变化的电场，周期性变化的电场激发周期性变化的磁场。 电磁波不同于机械波，它的传播不需要依赖任何弹性介质，它只靠“变化电场产生变化磁场，变化磁场产生变化电场”的机理来传播。 当电磁波频率较低时，主要籍由有形的导电体才能传递；当频率逐渐提高时，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。在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部反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，能量不可能反回原振荡电路，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。 根据以上的理论，每一段流过高频电流的导线都会有电磁辐射。有的导线用作传输，就不希望有太多的电磁辐射损耗能量；有的导线用作天线，就希望能尽可能地将能量转化为电磁波发射出去。于是就有了传输线和天线。无论是天线还是传输线，都是电磁波理论或麦克斯韦方程在不同情况下的应用。 对于传输线，这种导线的结构应该能传递电磁能量，而不会向外辐射；对于天线，这种导线的结构应该能尽可能将电磁能量传递出去。不同形状、尺寸的导线在发射和接收某一频率的无线电信号时，效率相差很多，因此要取得理想的通信效果，必须采用适当的天线才行！研究什么样结构的导线能够实现高效的发射和接收，也就形成了天线这门学问。 高频电磁波在空中传播，如遇着导体，就会发生感应作用，在导体内产生高频电流，使我们可以用导线接收来自远处的无线电信号。 二、天线 在无线通信系统中，需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波，或者将无线电波转换为导波能量，用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。发射机所产生的已调制的高频电流能量（或导波能量）经馈线传输到发射天线，通过天线将转换为某种极化的电磁波能量，并向所需方向出去。到达接收点后，接收天线将来自空间特定方向的某种极化的电磁波能量又转换为已调制的高频电流能量，经馈线输送到接收机输入端。 综上所述，天线应有以下功能： １．天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量。这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统，其次要求天线与发射机或接收机匹配。 ２．天线应使电磁波尽可能集中于确定的方向上，或对确定方向的来波最大限度的接受，即方向具有方向性。
各个波段的电磁波产生原理
无线电波： 当电流流经导体时，导体周围会产生磁场；当导体和磁力线发生相对切割运动时导体内会感生电流。这就是电磁感应。如果流经导体的电流的大小、方向以极快的速度变化，导体周围磁场大小方向也随之变化。变化的磁场在其周围又感生出同样变化着的电场，而这电场又会再一次感生出新的磁场……。这种迅速向四面八方扩散的交替变化着的磁场和电场的总和就是电磁波，其磁场或电场每秒钟内周期变化的次数就是电磁波的频率。频率的基本单位是赫芝（Ｈz）。于是，人们把频率在３０００吉赫（详见本节波段表说明）以下，不通过导线、电缆或人工波导等传输媒介，在空间辐射传播的电磁波定义为无线电波。无线电波和其他电磁波一样，在空间传播的速度是每秒３０万公里。 红外线的划分
根据使用者的要求不同，红外线划分范围很不相同。 把能通过大气的三个波段划分为： 近红外波段1～3微米 中红外波段3～5微米 远红外波段8～14微米 根据红外光谱划分为： 近红外波段1～3微米 中红外波段3～40微米 远红外波段40～1000微米 医学领域中常常如此划分： 近红外区0.76～3微米 中红外区3～30微米 远红外区30～1000微米 医用红外线可分为两类：近红外线与远红外线。近红外线或称短波红外线，波长0.76～1.5微米，穿入人体组织较深,约5～10毫米；远红外线或称长波红外线，波长1.5～400微米，多被表层皮肤吸收，穿透组织深度小于2毫米。（但在实际应用中通常把2.5微波以上的红外线通称为远红外线。） 红外线的产生原理 由炽热物体、气体或其他光源激发分子等微观客体所产生的电磁辐射。主要是由外层电子的跃迁。 红外线的辐射源区分
电磁波的产生和用途
γ 射线是因核能级间的跃迁而产生，原子核衰变和核反应均可产生γ 射线。射线是伴随a射线和β射线而产生的．原子核放出r射线时原子核的质量数和电荷数均不改变．其实质是放射性原子核在发生a衰变或β衰变时，产生的新核处于较高的能级，不稳定，在向低能级跃迁的过程中辐射出r 光子．放射性元素衰变时，通常会同时放出a，β和r三种射线，但某写放射性元素可能只放出a射线或只放出β射线，但在任何情况下都不会只放出r射线．γ 射线有很强的穿透力，工业中可用来探伤或流水线的自动控制。γ 射线对细胞有杀伤力，医疗上用来治疗肿瘤。 x光是内层电子的跃迁的产生的。 产生x射线的方法 1。常用的是高能电子轰击重金属元素，也就是硬X射线 2。利用电流箍缩效应，瞬间压缩高温等离子体，得到间断性的软X射线爆。这是大功率X射线机的原理 3。最直接的就是利用具有放射性元素的衰变得到X射线。 实验室中X射线由X射线管产生，X射线管是具有阴极和阳极的真空管，阴极用钨丝制成，通电后可发射热电子，阳极（就称靶极）用高熔点金属制成（一般用钨，用于晶体结构分析的X射线管还可用铁、铜、镍等材料）。用几万伏至几十万伏的高压加速电子，电子束轰击靶极，X射线从靶极发出。 X射线检测仪是利用X射线的穿透能力，在工业上一般用于检测一些眼睛所看不到的物品内部伤，断，或电路的短路等。X射线衍射仪可以测定物质中含有哪些元素，医用检测如x透射、拍片。 任何射线都是由于粒子跃迁而形成的. 红外线,紫外线,可见光,都是由于外层电子跃迁而引起的. 至于为什么,是因为各电子层的能量不一样,当电子跃迁时会释放能量. 紫外线可用来验钞、消毒杀菌，增强免疫能力，可促进机体对钙、磷等微量元素的吸收利用，有利于骨骼的生长发育，防止佝偻病出现。不过，过强的紫外线，将削弱机体的抗病能力，导致皮肤癌的发生。 具有很强热效应，并易于被物体吸收，通常被作为热源。透过云雾能力比可见光强。在通讯、探测、医疗等方面有广泛的用途。 无线电技术的原理在于，导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象，通过调制可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达收信端，电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。通过解调将信息从电流变化中提取出来，就达到了信息传递的目的。
电磁波辐射原理
电磁波辐射的基本原理及对人体的危害与并发症 科学地讲，电磁波是能量释放的一种形式，是电场与磁场在空间的振动。凡是能释放能量的物质都是电磁波原体。电磁波的频率越高，能量就越高。当高能量的电磁波把能量传递给其他物质时，可能撞出该物质内的原子、分子的电子，使该物质内充满带电离子，这种现象称为游离化，而造成游离化现象的电磁波就叫游离辐射。 电磁波辐射通常分为游离辐射，有热效应非游离辐射和无热效应非游离辐射三种。无热效应非游离辐射对人体健康没有影响，有热效应非游离辐射对人体健康影响也较小。各种可见光和红外线都属于非游离辐射，游离辐射对人体健康损害比较大，它常常会损害人体细胞和组织。游离辐射包括紫外线、r射线、X射线等各种不可见光。常见的游离辐射主要有：核辐射、雷达波、无线通信电波、太阳黑子、电脑等家用电器的电磁波辐射等。对我们的日常影响较大的主要有：手机、电脑、微波炉等日常用品的长期游离辐射。 游离辐射对人体的伤害主要表现为电磁离子与身体内物质抢夺电荷产生新的电离子，从而破坏、损害人体组织和细胞。长期被游离辐射作用下，会对人体的基因、神经系统、心脑血管、分泌系统、视听觉系统和性功能造成严重的损伤，严重的可能导致各种癌症。游离辐射对人体六大系统的损害和并发症主要包括： 一、破坏人体DNA和雄性染色体。 其危害和并发症主要包括：（1）、男性丧失X染色体（2）、新生胎儿智力残障（3）新生胎儿肢体残障（4）新生胎儿丧失免疫功能，并由此引发白血病和坏血病。 二、破坏神经系统。 主要危害和并发症包括：（1）智力、记忆力衰退，（2）神经性衰弱，（3）脑神经瘤体（即脑瘤），（4）神经管畸形，（5）无脑儿，（6）其他病理性神经损伤。 三、心脑血管损伤。 主要后果和并发症包括：（1）高血压，（2）冠心病，（3）引发机械性窒息（心肌梗塞），（4）脑溢血，（5）心脑血管梗塞，（6）使用心脏起勃器的患者受强辐射时起勃器功效丧失。 四、性功能损伤。 主要后果和并发症包括：（1）男性阳痿（2）性功能过早衰退（3）丧失性功能（4）月经紊乱。