太赫茲技術(shù)資料講解

太赫茲(THz)技術(shù)TOC\o"1-5"\h\z一、 基本概念 1\o"CurrentDocument"太赫茲波 1\o"CurrentDocument"太赫茲波的特點(diǎn) 1\o"CurrentDocument"二、 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2\o"CurrentDocument"美國(guó) 3\o"CurrentDocument"歐洲 3\o"CurrentDocument"亞洲 3\o"CurrentDocument"三、 太赫茲技術(shù)的應(yīng)用 4\o"CurrentDocument"太赫茲雷達(dá)和成像 4太赫茲通信 5\o"CurrentDocument"太赫茲安全檢查 6\o"CurrentDocument"太赫茲無(wú)損檢測(cè) 7\o"CurrentDocument"環(huán)境探測(cè) 7\o"CurrentDocument"生物醫(yī)學(xué) 8\o"CurrentDocument"天文觀測(cè) 8\o"CurrentDocument"材料特性的研究 9\o"CurrentDocument"四、 太赫茲技術(shù)的研究?jī)?nèi)容 9\o"CurrentDocument"太赫茲輻射源 9\o"CurrentDocument"太赫茲波段信號(hào)的探測(cè) 10\o"CurrentDocument"太赫茲功能器件 10\o"CurrentDocument"五、 我們能做些什么 10基本概念太赫茲波太赫茲(Terahertz)一詞是弗萊明(Fleming)于1974年首次提出的，用來(lái)描述邁克爾遜干涉儀的光譜線頻率范圍。太赫茲(THz,1THz=101Hz)頻段是指頻率從十分之幾到十幾太赫茲，介于毫米波與紅外光之間相當(dāng)寬范圍的電磁輻射區(qū)域。THz波又被稱為T射線，在頻域上處于宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過(guò)渡區(qū)，在電子學(xué)向光子學(xué)的過(guò)渡區(qū)域。長(zhǎng)期以來(lái)由于缺乏有效的THz輻射產(chǎn)生和檢測(cè)方法，對(duì)于該波段的了解有限，使得THz成為電磁波譜中最后一個(gè)未被全面研究的頻率窗口，被稱為電磁波譜中的"太赫茲空隙”(TerahertzGap)。MFdHF,VHF;UHF,SHE |伸1(P 1g仰8 1促i1Q24kilomegagigatenapetaexazettayottaExampleRadio Hadar???OpticalMedicalAstropliysicsimkistries:communications commurncationsimagingFrequency(Hz)太赫茲波的特點(diǎn)THz波具有很多獨(dú)特的性質(zhì)。從頻譜上看，THz輻射在電磁波譜中介于微波與紅外輻射之間；在電子學(xué)領(lǐng)域，THz輻射被稱為毫米波或亞毫米波；在光學(xué)領(lǐng)域，它又被稱為遠(yuǎn)紅外射線；從能量上看，THz波段的能量介于電子和光子之間。THz的特殊電磁波譜位置賦予它很多優(yōu)越的特性，有非常重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值，得到了全世界各國(guó)研究人員的極大關(guān)注。THz波的頻率范圍處于電子學(xué)與光子學(xué)的交叉區(qū)域。在長(zhǎng)波方向，它與毫米波有重疊，在短波方向，它與紅外線有重疊。在頻域上，THz處于宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過(guò)渡區(qū)。由于其所處的特殊位置，THz波表現(xiàn)出一系列不同于其他電磁輻射的特殊性質(zhì)：THz脈沖的典型脈寬在亞皮秒量級(jí)，不但可以方便地對(duì)各種材料進(jìn)行亞皮秒、飛秒時(shí)間分辨的瞬態(tài)光譜研究，而且通過(guò)取樣測(cè)量技術(shù)，能夠有效地抑制背景輻射噪音的干擾，得到具有很高信噪比(大于)THz電磁波時(shí)域譜，并且具有對(duì)黑體輻射或者熱背景不敏感的優(yōu)點(diǎn)。THz脈沖通常只包含若十個(gè)周期的電磁振蕩，單個(gè)脈沖的頻帶可以覆蓋從GHz至幾十THz的范圍，便于在大范圍里分析物質(zhì)的光譜性質(zhì)。THz波的相干性源于其產(chǎn)生機(jī)制，它是由相干電流驅(qū)動(dòng)的偶極子振蕩產(chǎn)生，或是由相干的激光脈沖通過(guò)非線性光學(xué)差頻效應(yīng)產(chǎn)生THz波的時(shí)域光譜技術(shù)(THz-TDS)直接測(cè)量THz波的時(shí)域電場(chǎng)，通過(guò)傅立葉變換給出THz波的振幅和相位。因此，無(wú)需使用Kramers-Kronig色散關(guān)系，就可以提供介電常數(shù)的實(shí)部和虛部。這使測(cè)得的與THz波相互作用的介質(zhì)折射率和吸收系數(shù)變得更精確。THz波的光子能量較低，1THz頻率處的光子能量大約只有4mV，比X射線的光子能量弱107?108倍。因此,THz波不會(huì)對(duì)生物組織產(chǎn)生導(dǎo)致電離和破壞的有害光，特別適合于對(duì)生物組織進(jìn)行活體檢查。THz光子能量約為可見(jiàn)光，用THz做信息載體比用可見(jiàn)光和近中紅外光能量效率高得多。THz波是具有量子特性的電磁波，具有類似微波的穿透能力，同時(shí)又具有類似光波的方向性°THz波也可以被特定的準(zhǔn)光學(xué)器件反射、聚焦和準(zhǔn)直，可以在特定的波導(dǎo)中傳輸°THz波對(duì)于很多非極性物質(zhì)具有較強(qiáng)的穿透能力，可以穿透很多對(duì)于可見(jiàn)光和紅外線不透明的物質(zhì)(如塑料、陶瓷、有機(jī)織物、木材、紙張等)，因而可用來(lái)對(duì)已經(jīng)包裝的物品進(jìn)行質(zhì)檢或者用于安全檢查。凝聚態(tài)體系的聲子吸收很多位于THz波段，自由電子對(duì)THz波也有很強(qiáng)的吸收和散射，THz時(shí)域光譜技術(shù)是一個(gè)研究凝聚態(tài)材料中物理過(guò)程的很好的工具。特別是許多有機(jī)分子在THz波段呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收和色散特性，不同分子對(duì)于THz波的吸收和色散特性是與分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)有關(guān)的偶極躍遷相聯(lián)系的，而分子的偶極躍遷猶如人的指紋，是千差萬(wàn)別的，因此，可以通過(guò)光譜分析實(shí)現(xiàn)分子的識(shí)別，就如同識(shí)別人的指紋一樣。THz光譜通過(guò)介電函數(shù)的實(shí)部和虛部來(lái)描述分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)。大多數(shù)極性分子如水分子、氨分子等對(duì)THz輻射有強(qiáng)烈的吸收，可以通過(guò)分析它們的特征譜研究物質(zhì)成分或者進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量控制。二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀由于THz所處的特殊電磁波譜的位置，它有很多優(yōu)越的特性，有非常重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值，使得THz受到全世界各國(guó)政府的支持，并給予極大的關(guān)注。美國(guó)、歐州和日本尤為重視。美國(guó)2004年美國(guó)把THz作為改變未來(lái)世界的十大技術(shù)之一，并于2006年把其列為國(guó)防重點(diǎn)科學(xué)。在美國(guó)包括常青藤大學(xué)在內(nèi)有數(shù)十所大學(xué)都在從事THz的研究工作，特別是美國(guó)重要的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，如LLNL、LBNL、SLAC、JPL、BNL、NRL、ALS、ORNL等，另外還有一些公司如Bell、IBM等都在開展THz科學(xué)技術(shù)的研究工作。美國(guó)的政府機(jī)構(gòu)如：美國(guó)國(guó)家基金會(huì)（NSF）、國(guó)家航天局（NASA）、能源部（DOE）和國(guó)家衛(wèi)生學(xué)會(huì)（NIH）等從20世紀(jì)90年代中期開始對(duì)THz科技研究進(jìn)行大規(guī)模的投入。目前已經(jīng)研究出的標(biāo)志性成果是0.225THz機(jī)載雷達(dá)。歐洲英國(guó)的Rutherford國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，劍橋大學(xué)、里茲大學(xué)、Strathclyde等十幾所大學(xué)，德國(guó)的KFZ、BESSY、Karlsruhe、Cohn、Hamburg及若干所大學(xué)，都積極開展TH2研究工作。歐洲國(guó)家還利用歐盟的資金組織了跨國(guó)家的多學(xué)科參加的大型合作研究項(xiàng)目。在俄國(guó)國(guó)家科學(xué)院專門設(shè)立了一個(gè)THz研究計(jì)劃，IAP、IGP及一些大學(xué)也都在積極開展THz研究工作。另外制定的研究主題主要有THz輻射成像（2004-2008年），分子生物學(xué)研究（2004-2009年），THz空間天文學(xué)（2005-2009年），THz遙感（2005-2012年），光子帶隙材料（2004-2009年），微機(jī)械探測(cè)器（2006-2015年），其標(biāo)志性成果是研制出THz遠(yuǎn)距離檢測(cè)系統(tǒng)（2006年重大項(xiàng)目）。亞洲在亞洲國(guó)家和區(qū)域，韓國(guó)國(guó)立漢城大學(xué)、浦項(xiàng)科技大學(xué)、國(guó)立新加坡大學(xué)、臺(tái)灣大學(xué)、臺(tái)灣清華大學(xué)等都積極開展THz研究工作，并發(fā)表了不少有分量的論文。2005年元月，日本把太赫茲技術(shù)確立為今后十年內(nèi)重點(diǎn)開發(fā)的國(guó)家支柱技術(shù)十大重點(diǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)之首，并列入日本政府從2006年開始到2010年結(jié)束的第3期科學(xué)技術(shù)基本計(jì)劃予以支持。東京大學(xué)、京都大學(xué)、大阪大學(xué)、東北大學(xué)、福井大學(xué)以及SLLSC、NTTAdvancedTechnologyCorporation等公司都大力開展THz的研究與開發(fā)工作。日本在研制太赫茲技術(shù)的標(biāo)志性成功是2006年研制出15km的THz無(wú)線通信演示系統(tǒng)，完成世界上首例THz通信演示。除此之外，日本還與歐美合作，成立ALMA計(jì)劃，建設(shè)全球最大的射電天文亞毫米波干涉陣，計(jì)劃投資10億美元，每年開展三方研討會(huì)，該計(jì)劃受到歐美日政府的高度重視。我國(guó)政府在2005年11月專門召開了香山科學(xué)會(huì)議，邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)多位在THz研究領(lǐng)域有影響的院士專門討論我國(guó)THz事業(yè)的發(fā)展方向，并制定了我國(guó)THz技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃。我國(guó)的THz學(xué)科研究受到政府和各研究機(jī)構(gòu)的廣泛重視。國(guó)家科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、863計(jì)劃（民口和軍口）及第270次香山科學(xué)會(huì)議等都將太赫茲科學(xué)技術(shù)列為研究主題。三、太赫茲技術(shù)的應(yīng)用太赫茲技術(shù)之所以具有特別的吸引力，是由于太赫茲輻射的如下特點(diǎn)：約50%的宇宙空間光子能量、大量星際分子的特征譜線在太赫茲范圍內(nèi)；大量有機(jī)分子轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)躍遷、半導(dǎo)體的子帶和微帶能量在太赫茲范圍內(nèi)；太赫茲輻射能穿透非金屬和非極性材料，穿透煙霧和浮塵；太赫茲光子能量小，不會(huì)引起生物組織的光致電離。因此，太赫茲技術(shù)在物體成像、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷、射線天文、寬帶通信、雷達(dá)等領(lǐng)域具有重大的科學(xué)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。在世界范圍，太赫茲輻射物理及其應(yīng)用研究方興未艾。由于信息化武器裝備的工作頻段逐步從微波及可見(jiàn)光區(qū)域向太赫茲波段延伸，太赫茲科學(xué)技術(shù)在軍事上的重要性不言而喻。誰(shuí)優(yōu)先掌握這一重要頻段的相關(guān)技術(shù)，誰(shuí)就有可能在軍事上領(lǐng)先一個(gè)時(shí)代。我們應(yīng)該抓住太赫茲科學(xué)技術(shù)剛剛起步的機(jī)遇，不失時(shí)機(jī)地加速開展太赫茲領(lǐng)域的理論與應(yīng)用研究，為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)做出貢獻(xiàn)。太赫茲波的頻率介于微波與紅外之間，因此太赫茲系統(tǒng)兼顧電子學(xué)系統(tǒng)和光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。作為一個(gè)尚待深入開發(fā)的頻段資源，太赫茲波在軍事上，尤其在雷達(dá)及目標(biāo)識(shí)別、寬帶通信、危險(xiǎn)物探測(cè)和無(wú)損檢測(cè)等方面具有潛在的應(yīng)用前景。在雷達(dá)及目標(biāo)識(shí)別方面。相對(duì)于微波，太赫茲波波長(zhǎng)短、波束窄、方向性好，因此作用在目標(biāo)上的功率密度高，成像的分辨率高，系統(tǒng)的體積小、易于實(shí)現(xiàn)空間功率合成。相對(duì)于紅外及可見(jiàn)光，太赫茲波波束寬度適中，易于實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤瞄準(zhǔn)；穿透性能好，能以較小的損耗穿透沙塵煙霧及非金屬材料。1.太赫茲雷達(dá)和成像太赫茲波在雷達(dá)、目標(biāo)識(shí)別、引信及精確制導(dǎo)方面具有潛在的應(yīng)用前景。利用太赫茲波方向性強(qiáng)、能量集中的特點(diǎn)，可制作高分辨率的戰(zhàn)場(chǎng)雷達(dá)和低仰角的跟蹤雷達(dá)。利用太赫茲波穿透物質(zhì)成像技術(shù)，可以探測(cè)隱藏在覆蓋物或煙塵中的軍事裝備。利用太赫茲波穿透沙塵煙霧的能力，可以制作全天候?qū)Ш较到y(tǒng)，在濃霧中指揮飛機(jī)著陸。太赫茲波的頻譜寬，可跨越目前隱身技術(shù)所能對(duì)抗的波段，因此以太赫茲波作為輻射源的超寬帶雷達(dá)能夠獲取隱身飛行器的圖像。成像識(shí)別是太赫茲技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，也是軍事上實(shí)現(xiàn)目標(biāo)監(jiān)視、追蹤、識(shí)別的重要技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)多光譜成像（高光譜及超光譜成像）、三維成像。據(jù)報(bào)道，美國(guó)已經(jīng)研制出0.225太赫茲的機(jī)載雷達(dá)。太赫茲雷達(dá)系統(tǒng)包括輻射源以及探測(cè)散射輻射的系統(tǒng)。太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)經(jīng)改進(jìn)后就能成為脈沖散射測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)可偏轉(zhuǎn)的反射鏡將太赫茲光束打到目標(biāo)物上，而后調(diào)整太赫茲探測(cè)器就可接收到散射輻射。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是，除了獲知目標(biāo)的位置和形狀，利用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)還可以探得物體的材料特性。2.太赫茲通信太赫茲頻段位于紅外線和高頻無(wú)線電之間，是目前手機(jī)通信頻帶寬度的1000倍左右，是很好的寬帶信息載體。太赫茲無(wú)線通信的傳輸速度快，而且有極高的方向性和較強(qiáng)的云霧穿透能力，適合于高保密衛(wèi)星通信及戰(zhàn)地高速短距離無(wú)線通信。太赫茲通信還處在發(fā)展的初級(jí)階段，這一頻段的數(shù)據(jù)傳輸直到近幾年才得以實(shí)現(xiàn)（2006年研制出傳輸距離1.5千米的太赫茲無(wú)線通信演示系統(tǒng)），離“太赫茲通信時(shí)代”的1太比特/秒有效數(shù)據(jù)傳輸率還有相當(dāng)距離，但是其廣闊的發(fā)展前景令人神往。目前，在美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)的通信頻譜分配圖中，對(duì)太赫茲所在的高于300吉赫的頻段尚沒(méi)有進(jìn)行分配，這是一塊未開墾的“處女地”。太赫茲在350、450、620、735和870微米波長(zhǎng)附近，有相對(duì)透明的大氣窗口，可以用于太赫茲空間通信。太赫茲波在外層空間可以無(wú)損耗地傳輸，用很小的功率實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，而且相對(duì)于光學(xué)通信來(lái)說(shuō)，波束較寬、容易對(duì)準(zhǔn)，量子噪聲較低，天線系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)小型化、平面化。太赫茲波在空間技術(shù)上的一個(gè)重要應(yīng)用，就是與重返大氣層的飛行器（如導(dǎo)彈、飛船等）進(jìn)行通信。當(dāng)飛行器重返大氣層時(shí)，由于空氣摩擦產(chǎn)生高溫，飛行器周圍的空氣被電離形成等離子體，使通信遙測(cè)信號(hào)迅速衰減以至中斷。此時(shí)，太赫茲系統(tǒng)是惟一有效的通信工具。太赫茲信號(hào)在大氣中傳輸距離有限，且指向性很好，這些特性有利于在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中提供近距離保密戰(zhàn)術(shù)通信。在某些情況中，鑒于作戰(zhàn)地帶通信聲道的混亂和擁塞，有限的傳輸距離反而成為優(yōu)勢(shì)。大氣衰減有利于實(shí)現(xiàn)隱蔽的近距離通信，因?yàn)樘掌澬盘?hào)根本無(wú)法傳播到遠(yuǎn)處敵人的監(jiān)聽(tīng)站，使敵人無(wú)法在通信途中探測(cè)、截取、阻塞或“造假”傳輸信號(hào)。倘若太赫茲通信設(shè)備能夠做得足夠小而輕，則可以實(shí)現(xiàn)班排級(jí)單位甚至單兵之間的通信。太赫茲安全檢查太赫茲具有隔著衣物探測(cè)金屬物品能力，可用于機(jī)場(chǎng)等重要場(chǎng)所的安全檢查。太赫茲探測(cè)裝置不僅可以顯示隱藏物的形狀，而且能夠確定物品的化學(xué)成分，因此具有檢查爆炸物和生化武器的能力，可用于人員及郵件等物品的檢查、戰(zhàn)場(chǎng)化學(xué)成分尋跡等。太赫茲安全檢查是一種結(jié)合太赫茲光譜技術(shù)、太赫茲成像技術(shù)的綜合應(yīng)用，可用于毒品、爆炸物、大分子生物以及武器、炸彈的探測(cè)，對(duì)公共安全和國(guó)土防御起到重要作用。這是由于，多種爆炸物、毒品分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)譜處于太赫茲頻段（100吉赫?10太赫）。太赫茲光譜和成像技術(shù)不同于X射線和超聲成像等手段，不僅可以提供物體形狀，而且測(cè)得的光譜信息與已有的爆炸物和毒品的太赫茲譜庫(kù)進(jìn)行比較，可用于材料特性識(shí)別。利用太赫茲時(shí)域光譜測(cè)量（TDS）技術(shù)可以得到這些特征譜，進(jìn)而分析物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。在美國(guó)911”事件后，發(fā)展監(jiān)控、探測(cè)、辨別隱藏的危險(xiǎn)物品（如捆綁在人身上的塑性炸藥或信封中的生物藥劑）的全新方法，對(duì)公共安全越來(lái)越重要。由于吸毒販毒活動(dòng)的日漸猖獗，如何有效地探測(cè)毒品并進(jìn)行品種和純度的快速、精確檢定，無(wú)論是在緝毒領(lǐng)域還是對(duì)毒販量刑方面，都極為重要。復(fù)雜的有機(jī)分子（如毒氣戰(zhàn)劑）在太赫茲波段存在轉(zhuǎn)動(dòng)吸收光譜。太赫茲光譜技術(shù)對(duì)此非常靈敏，目前在實(shí)驗(yàn)室中能夠辨別十億分之一濃度的氣體分子，并通過(guò)煙霧中的反向散射體直接獲取足夠的信息。另外，生物戰(zhàn)劑（如炭疽）在太赫茲波段有明顯的聲子共振現(xiàn)象，也同樣可以探測(cè)到。通過(guò)標(biāo)識(shí)出它們?cè)诖髿庵械纳⒉挤秶梢蕴崾緫?zhàn)斗人員及時(shí)采取防護(hù)措施，避免誤入化學(xué)毒氣或生物戰(zhàn)劑沾染地域。太赫茲波可穿透衣物、紙張、塑料、皮革和陶瓷等絕緣材料，而且光子能量很低，不會(huì)在生物組織中產(chǎn)生有害的光致電離。因此，太赫茲成像技術(shù)是探測(cè)人員藏匿及包裝內(nèi)隱蔽危險(xiǎn)物的一種極具競(jìng)爭(zhēng)力的方法，可以在機(jī)場(chǎng)、車站等地對(duì)行李、物品、旅客進(jìn)行安全檢測(cè)。金屬探測(cè)器和X射線系統(tǒng)是探測(cè)隱蔽武器的傳統(tǒng)方法，但金屬探測(cè)器無(wú)法探測(cè)到陶瓷手槍、塑料刀具和塑料炸彈，難以區(qū)別普通的金屬物品和兇器；X射線系統(tǒng)對(duì)人體的可能危害妨礙了它的使用。太赫茲成像技術(shù)能夠穿透一般的衣物探查到隱蔽物體，成像分辨率比微波要高，而且可以進(jìn)一步發(fā)展為遠(yuǎn)距離太赫茲成像，在50甚至100米以外對(duì)可疑人身和物品進(jìn)行檢查。太赫茲無(wú)損檢測(cè)太赫茲脈沖成像技術(shù)還被用于探測(cè)航天飛機(jī)隔離層泡沫材料中的缺陷。通過(guò)逐點(diǎn)掃描得到各部分的時(shí)域波形，然后分析波形的變化來(lái)判斷缺陷的大小、形狀、位置和種類。2003年2月1日，美國(guó)哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)返回地球時(shí)在62千米高空發(fā)生爆炸，機(jī)上7名宇航員遇難。事故調(diào)查委員會(huì)把這一悲劇歸因于，一塊手提箱大小的外置燃料箱泡沫隔熱層在起飛過(guò)程中發(fā)生脫離，然后砸破航天飛機(jī)左翼隔熱板。當(dāng)航天飛機(jī)重返大氣層時(shí)，3000°C的高溫氣體從破洞中進(jìn)入，導(dǎo)致機(jī)毀人亡。據(jù)稱在以前的發(fā)射中，泡沫隔熱材料撞擊航天飛機(jī)的情況至少發(fā)生過(guò)7次。因此，泡沫材料中缺陷的檢查成為了確保航天飛機(jī)發(fā)射安全的關(guān)鍵所在。太赫茲波成像被美國(guó)宇航局選為未來(lái)探測(cè)泡沫隔熱材料缺陷的4種技術(shù)之一，其他3種是X光成像、超聲波成像和激光剪切力成像。業(yè)已證明，泡沫塑料在太赫茲波段具有非常低的吸收率和折射率，太赫茲波可以穿過(guò)幾英寸厚的泡沫材料，并探測(cè)到深埋其中的缺陷。傳統(tǒng)成像技術(shù)只能提供每個(gè)像素的強(qiáng)度信息，而太赫茲時(shí)域成像記錄了每個(gè)像素點(diǎn)上太赫茲脈沖的整個(gè)時(shí)域波形，從而提供了多維信息。環(huán)境探測(cè)THz技術(shù)能夠?qū)腆w、氣體、液體及火焰等介質(zhì)的電學(xué)、聲學(xué)性質(zhì)及化學(xué)成分進(jìn)行研究?？蒲腥藛T可利用THz穿透煙霧來(lái)檢測(cè)出大氣中的有毒或有害分子，因此可用于環(huán)境的污染檢測(cè)。由于THz波同樣能夠被大氣層中的水、氧氣、氮化物等物質(zhì)所吸收，我們可以通過(guò)衛(wèi)星攜帶的THz探測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣中氣體含量及分布進(jìn)行檢測(cè)，然后通過(guò)大氣THz微量分子變化來(lái)監(jiān)測(cè)全球氣候變暖問(wèn)題。2004年美國(guó)國(guó)防部DARPA投入大量的資金，研制THz成像陣列技術(shù)，并最終研制出便攜式、遠(yuǎn)距離THz成像雷達(dá)，它可以在沙塵暴、濃煙及海上濃霧中尋找目標(biāo)并清晰成像。由此可以看出，在空間及環(huán)境探測(cè)應(yīng)用中，THz表現(xiàn)出以下優(yōu)點(diǎn)-八、、?全天候能力；反目標(biāo)隱蔽能力強(qiáng)；抗背景雜波干擾能力強(qiáng)；特別的穿透探測(cè)和識(shí)別能力；可實(shí)現(xiàn)三維成像。生物醫(yī)學(xué)生物體對(duì)THz波具有獨(dú)特的響應(yīng),而且很多生物大分子如DNA分子的旋轉(zhuǎn)及振動(dòng)能級(jí)多處于THz波段，所以THz在蛋白質(zhì)等生物大分子無(wú)標(biāo)志識(shí)別應(yīng)用中有著舉足輕重的作用。由于THz具有類似X射線的穿透能力，且其光子能量小，不會(huì)引起生物組織的光離化，所以在生物醫(yī)學(xué)成像方面非常安全，適合于生物醫(yī)學(xué)成像。Chen等人利用THz技術(shù)測(cè)量了乳腺正常組織和腫瘤病變組織部分的不同光譜，發(fā)現(xiàn)癌變組織和正常組織的THz波具有不同的振幅、波形和時(shí)延。因此匕我們可以通過(guò)THz對(duì)病變細(xì)胞的識(shí)別，實(shí)現(xiàn)皮膚癌、乳腺癌的早期診斷和預(yù)防。太赫茲輻射不僅在皮膚癌檢測(cè)上得到應(yīng)用，而且還在生物芯片和生物傳感器方面發(fā)展迅速。另外，由于大量有機(jī)分子轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)躍遷、半導(dǎo)體的子帶和微帶能量在THz范圍，所以THz有助于指紋識(shí)別、結(jié)構(gòu)表征及分子生物信息應(yīng)用的發(fā)展,如通過(guò)THz來(lái)分析藥物的物理、化學(xué)及生物成分、波譜特性、分子、量子相互作用過(guò)程等重要信息來(lái)對(duì)藥物生產(chǎn)質(zhì)量進(jìn)行控制。天文觀測(cè)THz在天文學(xué)上占有極為重要的地位，是射電天文學(xué)上極重要的波段，它可以結(jié)合衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)空間成像。我們還可以根據(jù)星際、星系際大氣分子特征譜及行星和小星體的大氣動(dòng)力學(xué)原理，通過(guò)THz來(lái)完成許多天文方面的應(yīng)用。此外，為更好地實(shí)現(xiàn)天文觀測(cè)，國(guó)際上也部署了一些大型THz天文計(jì)劃，如SMA和ALMA計(jì)劃等，SMA計(jì)劃中的干涉陣是國(guó)際上目前唯一在運(yùn)行的亞毫米波。美國(guó)在南極也部署了最好的地面亞毫米波站，利用THz望遠(yuǎn)鏡觀察到很多重要的新星體，這對(duì)于研究宇宙的起源和星體的形成起到了不可估量的作用。材料特性的研究太赫茲光譜系統(tǒng)的一項(xiàng)主要應(yīng)用就是研究材料的特性，特別是輕分子和半導(dǎo)體。太赫茲光譜技術(shù)已經(jīng)被用來(lái)定出摻雜半導(dǎo)體如GaAs和Si晶片的載流子的富集度和遷移率°Drude模型被用來(lái)聯(lián)系與頻率有關(guān)的介電響應(yīng)和自由載流子動(dòng)態(tài)特性，包括等離子的角頻率和阻尼率之間的關(guān)系。一項(xiàng)重要的研究集中在薄膜的介電常數(shù)的測(cè)量上。高溫超導(dǎo)體的特性研究是太赫茲光譜技術(shù)應(yīng)用的另一個(gè)重要領(lǐng)域。一些超導(dǎo)薄膜已經(jīng)使用太赫茲光譜技術(shù)研究了包括穿透深度和超導(dǎo)能隙等的性質(zhì)。THz-TDS已經(jīng)被用來(lái)研究新超導(dǎo)材料MgB2的性質(zhì)。這種材料有高達(dá)39K的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，但是這種材料在理論上并沒(méi)有被很好地理解。THz-TDS技術(shù)定出這種材料的超導(dǎo)能隙大約是5meV。這個(gè)數(shù)字只有目前理論預(yù)言的數(shù)值的一半,顯示這種材料有著復(fù)雜的相互作用。使用光學(xué)抽運(yùn)的太赫茲測(cè)量系統(tǒng)可以揭示材料的更多的信息.在這一實(shí)驗(yàn)技術(shù)中，先使用超快光脈沖激發(fā)材料，然后太赫茲脈沖被用來(lái)探測(cè)被激發(fā)的材料的動(dòng)態(tài)遠(yuǎn)紅外光學(xué)特性。Leitenstorfer等人使用光抽運(yùn)的太赫茲系統(tǒng)研究了GaAs中被超快光脈沖激發(fā)的電荷一空穴等離子體中電荷一電荷之間相互作用的時(shí)間演化。這項(xiàng)研究為量子運(yùn)動(dòng)學(xué)對(duì)庫(kù)侖場(chǎng)建立和屏蔽形成準(zhǔn)粒子作出的理論預(yù)言提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)。四、太赫茲技術(shù)的研究?jī)?nèi)容太赫茲輻射源THz輻射源的研究是THz領(lǐng)域科技發(fā)展的核心研究?jī)?nèi)容。早在上個(gè)世紀(jì)20年代就有科學(xué)家對(duì)太赫茲波產(chǎn)生了濃厚的科學(xué)興趣，但其產(chǎn)生方法與探測(cè)手段與十分成熟的微波、光學(xué)技術(shù)相比仍然十分落后，以目前的電子學(xué)和光子學(xué)理論與技術(shù)在太赫茲波段都難于獨(dú)立解決，所以直到80年代中期，科學(xué)家對(duì)于該波段電磁輻射性質(zhì)的了解都非常有限，形成了原紅外線和毫米波之間所謂的“太赫茲空白隙"（TerahertzGap）。常見(jiàn)的THz波的產(chǎn)生方法有4種：半導(dǎo)體THz源（包括THz量子級(jí)聯(lián)激光器等）、基于