太赫茲原理及應用

1、 太赫茲(THZ)原理及應用 林凌 葉慶 鄭浩翔 顧思喻( (三三) THz) THz波的應用波的應用( (一一) ) 什么是什么是THzTHz波？波？( (二二) ) THzTHz波的主要特征波的主要特征內(nèi)容概要THz在電磁波譜中的位置 THz波具有波的特性波具有波的特性: 衍射和干涉衍射和干涉THzTHz輻射輻射( (射線射線) )通常指的是頻率在通常指的是頻率在0.1THz10THz( (波長在波長在3m 30) )之間的電磁波，其之間的電磁波，其波段在微波和紅外光之間，屬于遠紅外波段，此波段在微波和紅外光之間，屬于遠紅外波段，此波段是人們所剩的最后一個未被開發(fā)的波段。波段是人們所剩的最

2、后一個未被開發(fā)的波段。T-射線的幾個主要特性射線的幾個主要特性（一）（一）相干性相干性THz技術的相干測量技術能夠直接測量電場振幅和相位，可以方便地提取樣品的折射率、吸收系數(shù). （二）（二）低能性低能性(4.1 meV 1 THz)X-射線射線30kev 相差相差7個數(shù)量級個數(shù)量級 !（四）（四）大多數(shù)大多數(shù)極性分子極性分子如水分子，對如水分子，對THz輻射輻射有強烈的吸收。有強烈的吸收。 （三）（三） THz 輻射對于很多非極性物質，如電介輻射對于很多非極性物質，如電介質材料及塑料、紙箱、布料等包裝材料有很強的質材料及塑料、紙箱、布料等包裝材料有很強的穿透力穿透力, 可用來對已經(jīng)包裝的物品進

3、行質檢或者可用來對已經(jīng)包裝的物品進行質檢或者用于安全檢查。用于安全檢查。（五）（五）瞬態(tài)性：瞬態(tài)性： THz脈沖的典型脈寬在皮秒量級，通過電光取樣測量脈沖的典型脈寬在皮秒量級，通過電光取樣測量技術，能夠有效地抑制背景輻射噪聲的干擾。在小技術，能夠有效地抑制背景輻射噪聲的干擾。在小于于3THz時信噪比高達時信噪比高達104:1，遠遠高于傅立葉變換紅，遠遠高于傅立葉變換紅外光譜技術，而且其穩(wěn)定性更好。外光譜技術，而且其穩(wěn)定性更好。 （六）（六）寬帶性寬帶性： THz脈沖光源通常包含若干個周期的電磁振蕩，單脈沖光源通常包含若干個周期的電磁振蕩，單個脈沖的頻帶可以覆蓋從個脈沖的頻帶可以覆蓋從GHz至幾

4、十至幾十THz的范圍，的范圍，便于在大的范圍里分析物質的光譜性質。便于在大的范圍里分析物質的光譜性質。 THz輻射主要應用領域輻射主要應用領域生物醫(yī)學生物醫(yī)學安全檢查安全檢查 工業(yè)無損檢測工業(yè)無損檢測 空間物理和天文學空間物理和天文學 環(huán)境監(jiān)測環(huán)境監(jiān)測 化學分析化學分析 軍事和通信領域軍事和通信領域 一、一、THz 在國家安全、反恐方面的作用在國家安全、反恐方面的作用 由于由于 THz 波對衣物、塑料、陶瓷、硅片、紙張波對衣物、塑料、陶瓷、硅片、紙張和干木材等一系列物質具有較好的穿透性能；而和干木材等一系列物質具有較好的穿透性能；而且能夠根據(jù)物質的且能夠根據(jù)物質的THz“指紋譜指紋譜”，對物質

5、進行識，對物質進行識別，所以在毒品、化學生物危險品和武器等的非別，所以在毒品、化學生物危險品和武器等的非接觸安全檢測、郵件隱藏物的非接觸檢測等方面接觸安全檢測、郵件隱藏物的非接觸檢測等方面受到了反恐、保安和海關檢查等部門的高度重視。受到了反恐、保安和海關檢查等部門的高度重視。報紙報紙 尖刀尖刀 !THz在安全檢查上的應用使用太赫茲技術研究航天飛機失事的原因使用太赫茲技術研究航天飛機失事的原因二. THz在無損檢測中的應用三.THz 在醫(yī)學中的應用00 05101520255101520250mmmmStandard photoTHz Imaginga tumor43210電光信號 (nA)40

6、3020100Time Delay (ps) 癌變組織 正常組織 癌變組織和正常組織的THz波具有不同的振幅，波形和時間延遲，我們可以從中得到腫瘤的大小和形狀。THz 成像成像標準照片標準照片THz 波形波形腫瘤THz 乳腺腫瘤(模型)成像四. THz 在生物、環(huán)境監(jiān)測上的應用在生物、環(huán)境監(jiān)測上的應用 由于生物大分子的振動和轉動能量均在由于生物大分子的振動和轉動能量均在 THz 波段，波段，因而利用因而利用THz 輻射技術可得到輻射技術可得到 DNA 的重要信息，這對的重要信息，這對糧食選種、優(yōu)良菌種選擇等起著重要作用；糧食選種、優(yōu)良菌種選擇等起著重要作用； THz 在生物化學應用以及藥物的分

7、析和檢測等方面在生物化學應用以及藥物的分析和檢測等方面都具有良好的功能；都具有良好的功能； THz 輻射可以穿透煙霧，又可檢測有毒或有害分輻射可以穿透煙霧，又可檢測有毒或有害分子，所以在環(huán)境監(jiān)測和保護方面將得到應用。子，所以在環(huán)境監(jiān)測和保護方面將得到應用。 THz 雷達可成為未來高精度雷達的發(fā)展方向雷達可成為未來高精度雷達的發(fā)展方向: 由于由于 THz 波比通常微波的頻率更高波比通常微波的頻率更高,在遠程軍事目在遠程軍事目標探測、顯示前方煙霧中的坦克、遠距離成像、多光標探測、顯示前方煙霧中的坦克、遠距離成像、多光譜成像等方面有重要的應用譜成像等方面有重要的應用, 能夠探測比微波雷達更小能夠探測

8、比微波雷達更小的目標和實現(xiàn)更精確的定位，具有更高的分辨率和更的目標和實現(xiàn)更精確的定位，具有更高的分辨率和更強的保密性強的保密性。 THz 技術在反隱身方面有特殊的功能：目前各種軍技術在反隱身方面有特殊的功能：目前各種軍事目標、武器的隱身主要是針對微波、毫米波波段的事目標、武器的隱身主要是針對微波、毫米波波段的隱身，而在尚未充分開發(fā)利用的隱身，而在尚未充分開發(fā)利用的 THz 波段中幾乎未涉波段中幾乎未涉及。所以及。所以THz 雷達有望探測到目前各種軍事目標和武雷達有望探測到目前各種軍事目標和武器，將成為反隱身的軍事武器。器，將成為反隱身的軍事武器。THz 波用于通信可獲得波用于通信可獲得 10G

9、B/s 無線傳輸速度，比無線傳輸速度，比當前的超寬帶技術快數(shù)百至上千倍；與可見光和紅當前的超寬帶技術快數(shù)百至上千倍；與可見光和紅外線相比，它同時具有極高的方向性以及較強的云外線相比，它同時具有極高的方向性以及較強的云霧穿透能力。這就使得霧穿透能力。這就使得THz 通信可以以極高的帶寬通信可以以極高的帶寬進行高保密衛(wèi)星通信。進行高保密衛(wèi)星通信。THz 衛(wèi)星成像和通信技術可衛(wèi)星成像和通信技術可能是今后各國關注的重要領域。能是今后各國關注的重要領域。六六. THz 技術在軍事通信上有獨特的優(yōu)勢技術在軍事通信上有獨特的優(yōu)勢 常規(guī)法成像結果常規(guī)法成像結果 THz 波成像結果波成像結果七、七、THz 技術對發(fā)展新一代技術對發(fā)展新一代 IT 產(chǎn)業(yè)的作用產(chǎn)業(yè)的作用 可以預言，一旦可以預言，一旦THz 輻射源、檢測技術等得到發(fā)輻射源、檢測技術等得到發(fā)展，展，THz 技術將在技術將在 IT 領域具有很強的競爭力。目前領域具有很強的競爭力。目前世界上已有不少公司從事有關世界上已有不少公司從事有關 THz 技術商品化的工技術商品化的工作，如美國一些大學孵化了作，如美國一些大學孵化了 Picometrix、Phycical science Inc.、Cala