太赫茲技術(shù)各種應(yīng)用

太赫茲技術(shù)各種應(yīng)用“Terahertz5'一詞是弗萊明（Fletning）于1974年首次提出的，用來描述邁克爾遜干涉儀的光譜線頻率范圍。太赫茲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渡區(qū)，在電子學(xué)向光子學(xué)的過渡區(qū)域，長期以來由于缺乏有效的THz輻射產(chǎn)生和檢測方法，對于該波段的了解有限，使得THz成為電磁波譜中最后一個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（THzGap）"□□□□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)價值和應(yīng)用價值，得到了全世界各國研究人員的極大關(guān)注，美國、歐洲和日本尤為重視。2004年美國技術(shù)評論（TechonlogyReview）評選“改變未來世界十大技術(shù)”時，將THz技術(shù)作為其中的緊迫技術(shù)之一。2005年日本政府公布了國家10大支柱技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，THz位列首位?？诳诳诳诳谝?、THz波的特性□口口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)：1、THz脈沖的典型脈寬在亞皮秒量級，不但可以方便地對各種材料進(jìn)行亞皮秒、飛秒時間分辨的瞬態(tài)光譜研究，而且通過取樣測量技術(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電磁波時域譜，并且具有對黑體輻射或者熱背景不敏感的優(yōu)點(diǎn)；2、THz脈沖通常只包含若干個周期的電磁振蕩，單個脈沖的頻帶可以覆蓋從CHz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)；3、THz波的相干性源于其產(chǎn)生機(jī)制，它是由相干電流驅(qū)動的偶極子振蕩產(chǎn)生，或是由相干的激光脈沖通過非線性光學(xué)差頻效應(yīng)產(chǎn)生。THz波的時域光譜技術(shù)（THz-TDS）直接測量THz波的時域電場，通過傅立葉變換給出THz波的振幅和相位。因此，無需使用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；4、THz波的光子能量較低，1THz頻率處的光子能量大約只有4mV光子能量，比X射線的光子能量弱107--108倍。因此，THz波不會對生物組織產(chǎn)生導(dǎo)致電離和破壞的有害光，特別適合于對生物組織進(jìn)行活體檢查；5、THz光子能量約為可見光，用THz做信息載體比用可見光和近中紅外光能量效率高得多；6、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，可以穿透很多對于可見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），因而可用來對已經(jīng)包裝的物品進(jìn)行質(zhì)檢或者用于安全檢查；7、凝聚態(tài)體系的聲子吸收很多位于THz波段，自由電子對THz波也有很強(qiáng)的吸收和散射，THz時域光譜技術(shù)是一個研究凝聚態(tài)材料中物理過程的很好的工具。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，不同分子對于THz波的吸收和色散特性是與分子的振動和轉(zhuǎn)動能級有關(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，是千差萬別的。因此，可以通過光譜分析實(shí)現(xiàn)分子的識別，就如同識別人的指紋一樣，THz光譜通過介電函數(shù)的實(shí)部和虛部來描述分子的轉(zhuǎn)動和振動。大多數(shù)極性分子如水分子、氨分子等對THz輻射有強(qiáng)烈的吸收，可以通過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、THz應(yīng)用技術(shù)口口口口THz波的獨(dú)特的優(yōu)越特性主要是由它在電磁波譜中所處的特殊位置決定的，而這些優(yōu)越特性又是其應(yīng)用前景的基礎(chǔ)。THz波頻率很高（波長比微波小1000倍以上），因而其空間分辨率很高；THz脈沖很短（飛秒級），因而THz輻射又具有很高的時間分辨率。THz時域光譜技術(shù)和THz成像技術(shù)就構(gòu)成了THz應(yīng)用的兩個主要關(guān)鍵技術(shù)。1、THz時域光譜技術(shù)□口口THz時域光譜（THz-TDS）技術(shù)是20世紀(jì)80年代由AT&T，Bell實(shí)驗(yàn)室和IBM的T.J.Watson研究中心發(fā)展起來的最新的太赫茲技術(shù)。THz-TDS技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn)，如大帶寬、高信噪比、可在室溫下工作等，這些優(yōu)點(diǎn)促成了THz-TDS技術(shù)越來越多的應(yīng)用。目前THz-TDS技術(shù)主要應(yīng)用于研究材料在THz波段的性質(zhì)及物理現(xiàn)象，此外，也用于THz成像系統(tǒng)。THz-TDS技術(shù)利用THz脈沖透射樣本或者從樣本上反射，測量由此產(chǎn)生的THz時域電場□通過傅立葉變換獲得頻域上幅度和相位的變化量，進(jìn)而得到樣本的信息?？诳诳诳诳诳跁r域光譜技術(shù)作為最新的太赫茲技術(shù)，近十年來已經(jīng)得到了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展和應(yīng)用。但是目前THz-TDS技術(shù)的光譜分辨率與窄波段技術(shù)相比還很粗糙，其可以測量的頻譜范圍也比傅立葉變換光譜（FTS）技術(shù)小，提高光譜分辨率和擴(kuò)大測量頻譜范圍將是未來THz-TDS技術(shù)發(fā)展的主要方向。2、THz成像技術(shù)與其他波段的成像技術(shù)一樣，THz成像技術(shù)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(jìn)而成像。THz成像技術(shù)可以分為脈沖和連續(xù)兩種方式。前者具有THz時域光譜技術(shù)的特點(diǎn)，同時它可以對物質(zhì)集團(tuán)進(jìn)行功能成像，獲得物質(zhì)內(nèi)部的折射率分布。THz波廣泛應(yīng)用于無損檢測領(lǐng)域，因此各種THz波成像技術(shù)成為THz波應(yīng)用技術(shù)中最主要的研究方向。THz波成像技術(shù)有很多種，主要有用光電導(dǎo)偶極子的T射線常規(guī)成像技術(shù)，用CCD攝像機(jī)的電光T射線成像技術(shù)。使用單周期脈沖T射線通過時間反演進(jìn)行物體重構(gòu)的成像技術(shù)，利用基爾霍夫移動的T射線反射成像技術(shù)。動態(tài)孔徑和暗場T射線成像技術(shù)，T射線計算機(jī)層析成像技術(shù)，簡稱T射線DT。T射線衍射層析成像技術(shù)，簡稱T射線DT。T射線顯微鏡成像技術(shù)，利用近場技術(shù)等手段，分辨率可以達(dá)到微米，50--200m的T射線成像技術(shù)。不同的THz波成像技術(shù)有著不同的應(yīng)用，但目前這些成像技術(shù)大多尚在研究中。盡管