太赫茲原理及應(yīng)用

1、 太赫茲(THZ)原理及應(yīng)用 林凌 葉慶 鄭浩翔 顧思喻( (三三) THz) THz波的應(yīng)用波的應(yīng)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(yuǎn)紅外波段，此波段在微波和紅外光之間，屬于遠(yuǎn)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(shù)的相干測量技術(shù)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(zhì)，如電介輻射對于很多非極性物質(zhì)，如電介質(zhì)材料及塑料、紙箱、布料等包裝材料有很強的質(zhì)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(jìn)

3、行質(zhì)檢或者可用來對已經(jīng)包裝的物品進(jìn)行質(zhì)檢或者用于安全檢查。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(shù)，能夠有效地抑制背景輻射噪聲的干擾。在小技術(shù)，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(dá)時信噪比高達(dá)104:1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傅立葉變換紅，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傅立葉變換紅外光譜技術(shù)，而且其穩(wěn)定性更好。外光譜技術(shù)，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(zhì)的光譜性質(zhì)。便于在大的范圍里分析物質(zhì)的光譜性質(zhì)。 THz輻射主要應(yīng)用領(lǐng)域輻射主要應(yīng)用領(lǐng)域生物醫(yī)學(xué)生物醫(yī)學(xué)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(xué)空間物理和天文學(xué) 環(huán)境監(jiān)測環(huán)境監(jiān)測 化學(xué)分析化學(xué)分析 軍事和通信領(lǐng)域軍事和通信領(lǐng)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(zhì)具有較好的穿透性能；而和干木材等一系列物質(zhì)具有較好的穿透性能；而且能夠根據(jù)物質(zhì)的且能夠根據(jù)物質(zhì)的THz“指紋譜指紋譜”，對物質(zhì)

5、進(jìn)行識，對物質(zhì)進(jìn)行識別，所以在毒品、化學(xué)生物危險品和武器等的非別，所以在毒品、化學(xué)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(guān)檢查等部門的高度重視。受到了反恐、保安和海關(guān)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(yīng)用使用太赫茲技術(shù)研究航天飛機失事的原因使用太赫茲技術(shù)研究航天飛機失事的原因二. THz在無損檢測中的應(yīng)用三.THz 在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)照片標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用在生物、環(huán)境監(jiān)測上的應(yīng)用 由于生物大分子的振動和轉(zhuǎn)動能量均在由于生物大分子的振動和轉(zhuǎn)動能量均在 THz 波段，波段，因而利用因而利用THz 輻射技術(shù)可得到輻射技術(shù)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(xué)應(yīng)用以及藥物的分

7、析和檢測等方面在生物化學(xué)應(yīng)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(hù)方面將得到應(yīng)用。子，所以在環(huán)境監(jiān)測和保護(hù)方面將得到應(yīng)用。 THz 雷達(dá)可成為未來高精度雷達(dá)的發(fā)展方向雷達(dá)可成為未來高精度雷達(dá)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(yuǎn)程軍事目在遠(yuǎn)程軍事目標(biāo)探測、顯示前方煙霧中的坦克、遠(yuǎn)距離成像、多光標(biāo)探測、顯示前方煙霧中的坦克、遠(yuǎn)距離成像、多光譜成像等方面有重要的應(yīng)用譜成像等方面有重要的應(yīng)用, 能夠探測比微波雷達(dá)更小能夠探測

8、比微波雷達(dá)更小的目標(biāo)和實現(xiàn)更精確的定位，具有更高的分辨率和更的目標(biāo)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(shù)在反隱身方面有特殊的功能：目前各種軍技術(shù)在反隱身方面有特殊的功能：目前各種軍事目標(biāo)、武器的隱身主要是針對微波、毫米波波段的事目標(biāo)、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(dá)有望探測到目前各種軍事目標(biāo)和武雷達(dá)有望探測到目前各種軍事目標(biāo)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(dāng)前的超寬帶技術(shù)快數(shù)百至上千倍；與可見光和紅當(dāng)前的超寬帶技術(shù)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(jìn)行高保密衛(wèi)星通信。進(jìn)行高保密衛(wèi)星通信。THz 衛(wèi)星成像和通信技術(shù)可衛(wèi)星成像和通信技術(shù)可能是今后各國關(guān)注的重要領(lǐng)域。能是今后各國關(guān)注的重要領(lǐng)域。六六. THz 技術(shù)在軍事通信上有獨特的優(yōu)勢技術(shù)在軍事通信上有獨特的優(yōu)勢 常規(guī)法成像結(jié)果常規(guī)法成像結(jié)果 THz 波成像結(jié)果波成像結(jié)果七、七、THz 技術(shù)對發(fā)展新一代技術(shù)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(yù)言，一旦可以預(yù)言，一旦THz 輻射源、檢測技術(shù)等得到發(fā)輻射源、檢測技術(shù)等得到發(fā)展，展，THz 技術(shù)將在技術(shù)將在 IT 領(lǐng)域具有很強的競爭力。目前領(lǐng)域具有很強的競爭力。目前世界上已有不少公司從事有關(guān)世界上已有不少公司從事有關(guān) THz 技術(shù)商品化的工技術(shù)商品化的工作，如美國一些大學(xué)孵化了作，如美國一些大學(xué)孵化了 Picometrix、Phycical science Inc.、Cala