Admin太赫兹波是指频率范围在0.1THz~10THz之间的电磁波。近些年来,随着太赫波源和太赫兹波探测取得的一系列进展,使太赫兹在物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文、宽带移动通讯等方面具有广阔的应用背景。
太赫兹光子晶体波导结构如图1所示。材料为电阻率10kΩ。cm的硅,截面分为包层区和芯区,包层为均匀空气按六边形排列形成周期性结构,芯层中心原空气孔缺省而形成纤芯。Λ为空气孔间距,d为空气孔直径,d/Λ为相对孔径,N为包层空气孔层数,n1为空气的折射率,n2为硅的折射率。
(1) 高透射性:太赫兹对许多介电材料和非极性物质具有良好的穿透性,可对不透明物 体进行透视成像,是 X 射线成像和超声波成像技术的有效互补,可用于安检或质检过程中的 无损检测。
(2)低能量性:太赫兹光子能量为 4.1meV(毫电子伏特),只是 X 射线光子能量的 108 分之一。太赫兹辐射不会导致光致电离而破坏被检物质,非常适用于针对人体或其他生物样 品的活体检查。进而能方便地提取样品的折射率和吸收系数等信息。
(3) 吸水性:水对太赫兹辐射有极强的吸收性,因为肿瘤组织中水分含量与正常组织明 显不同,所以可通过分析组织中的水分含量来确定肿瘤的位置。
(4) 瞬态性:太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒数量级, 可以方便地对各种材料包括液体、 气体、半导体、高温超导体、铁磁体等进行时间分辨光谱的研究,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。
(5)相干性:太赫兹的相干性源于其相干产生机制。太赫兹相干测量技术能够直接测 量电场的振幅和相位,从而方便地提取样品的折射率、吸收系数、消光系数、介电常数等光 学参数。
(6)指纹光谱:太赫兹波段包含了丰富的物理和化学信息。大多数极性分子和生物大 分子的振动和转能级跃迁都处在太赫兹波段,所以根据这些指纹谱,太赫兹光谱成像技术能 够分辨物体的形貌,分析物体的物理化学性质,为缉毒、 反恐、 排爆等提供相关的理论依据和 探测技术。
(1)通过FTIR(Fourier Transform Infrared Spectrometer)使用热辐射源产生,如汞灯和SiC棒;
(2)是通过非线性光混频产生;
(3)是通过电子振荡辐射产生,如反波管、耿式振荡器及肖特基二极管产生;
(4)是通过气体激光器、半导体激光器、自由电子激光器等THz激光器直接产生。目前产生THz脉冲常用的方法有光导天线法、光整流法、THz参量振荡器法、空气等离子体法等,其中空气等离子体能产生相对较高强度的THz波而备受关注,此外,还可以用半导体表面产生THz波。
太赫兹辐射所具有的独特性质,使它在天体物理学、等离子体物理与工程、材料科学与工程、生物医学工程、环境科学工程、光谱与成像技术、信息科学技术等领域有着广阔而重要的应用。
1、太赫兹技术在生物医学中的应用
由于很多生物大分子及DNA分子的旋转及振动能级多处于太赫兹波段,生物体对太赫兹波具有独特的响应,所以太赫兹辐射可用于疾病诊断、生物体的探测及癌细胞的表皮成像。
计算机辅助层析成像技术是在x射线领域首先发展并应用起来的三维解析成像技术,太赫兹波也可以应用于计算机辅助层析成像。x射线层析成像只能反映物体的吸收率的分布,而太赫兹层析成像测量则记录了整个太赫兹脉冲的时间波形信息,因此可以根据不同的要求选取不同的探测物理量,如电场强度、峰值时问甚至材料的光谱特征。太赫兹层析成像对物体的反映是多方面的,不仅可以获得物体的吸收率的分布,还可以得到物体的折射率和材料的三维分布。
太赫兹波成像有2个固有的限制:其一,它不能穿透金属,金属表面几乎可以100%的反射太赫兹辐射,因而太赫兹波不能探测金属容器内的物。
2、安全监测和质量控制
太赫兹辐射也可用于污染物检测、生物和化学物质的探测,从而可用于食品保鲜和食品加工过程的监控。太赫兹波对物体的穿透性和安全性可用于非接触、无损伤地探测特殊物质,如隐藏的炸药、毒品、武器等。由于太赫兹波的强穿透能力和低辐射性(对人体完全无害),太赫兹成像就可以完全替代x射线透视、CT扫描、材料无损监测以及要害部门的安检和生化武器检查等。
3、无损探伤
太赫兹波对物体的穿透性和安全性可以用于对建筑物进行无损探伤。太赫兹波对物质的穿透性质可以通过太赫兹时域光谱来测量。例如,泡沫材料是航天飞机上常用的材料,其对太赫兹波的吸收和折射率非常低,因此太赫兹波可以穿透几英寸厚的泡沫材料,并探测到深埋在其中的缺陷。目前,太赫兹成像已被美国宇航局选为探测航天飞机中缺陷的关键技术之一。
4、天文和大气研究
实际上,天文学是最早使用太赫兹波的。天体辐射到地球的电磁波人部分处于亚毫米波段,也就是太赫兹波段。而且太赫兹波在太空环境巾被吸收的较少,可以传播很远的距离。天体和星际辐射包含了星际形成过程和星际介质化学性质的丰富信息,而太赫兹波段的观测要比其它波段有更低的背景噪声。随着太赫兹技术的发展,天文学家和天体物理学家对太赫兹波段天文观测的兴趣日益增加。
目前世界上已经建造了多台太赫兹波段的射电望远镜,用于研究银河系星际云巾复杂的物理状态及结构, 如德国马·普射电所和美国亚利桑那州天文台合作研制了一台lOm直径的亚毫米波射电望远镜。2002年,Bourdi n等人对通过星际辐射的分解来观察星系的远红外到微波辐射。2003年,Eyal等人在南极阿蒙森海工作站的1.7m直径的亚毫米波望远镜上用1.25Thz-1.5Thz波段的太赫兹探测器(TREND)进行了天文观测,由于南极干燥稀薄的火气层,这个波段将是地基望远镜可以达到最好观测效果的波段。
此外,大气中大量分子如水、一氧化碳、氮、氧及微量分子可以在太赫兹频段进行探测,因而太赫兹技术可以应用在大气环境保护监控、臭氧层监视等领域。
5、近距离无线通信和网络
太赫兹波段具有频率高、带宽宽、信道数多等特点,特别适合用于局域网以及宽带移动通信。用太赫兹通信可以获得10 Gbps的无线传输速度,这比目前的超宽带技术快几百甚至上千倍,是将来用于多媒体传输大容量无线通信的希望。太赫兹无线通信能提供Gbps甚至更大容量的多重数据信道,数据带宽将会超过现有无线协议,如IEEE820,1lb等。有专家预言,在不远的将来无线太赫兹网络将取代无线局域网或蓝牙技术,而成为短距离无线通信的主要流技术。
太赫兹波现象其实早已为人们所发现,然而早期因缺乏有效的太赫兹波产生和探测技术,使得相关研究进展极其缓慢[2]。进入20世纪80年代后,激光技术的迅速发展为研究有效太赫兹波的产生和探测技术孕育了基础。据文献报道,1983年D.H.Anston[3]首次利用光学技术,通过超短激光脉冲激发光电导天线产生了相干脉冲宽带THz辐射。鉴于D.H.Auston做出的巨大贡献,光导天线后来常被称为“Auston switeh”。紧接着,D.Grischkowsky和D.H.Auston等又开发出了基于超短激光脉冲激发光电导天线的THz时域光谱探测技术。这种基于基于超短激光脉冲激发光电导天线的太赫兹波产生和探测技术至今仍然是实验设备应用的主流。1990-1992年,X.C.zhang和D.H.Auston[4]等又提出了原理上完全不同的太赫兹波产生与探测方法一基于瞬态电光取样及其逆过程的THz产生与探测技术。
至此,太赫兹波的产生与探测技术虽然还不成熟,但已经能够用于相关仪器的制造与生产,为科研人员研究太赫兹波与物质相互作用提供了必备的实验手段。太赫兹科学和技术有极大的应用潜力,但目前还受太赫兹辐射源的限制,比如:产生的太赫兹辐射强度不高、带宽不够宽、能量转化效率低等因素,所以太赫兹领域的发展还需更大的努力。
太赫兹波科学技术作为一门前沿的新兴交叉学科,满足工控自动化的要求。对其他科学如物理、化学、天文学、生物医学、材料科学、环境科学等均有重大的影响,相关应用需求迫切,发展迅猛。在当今基础研究、开发研究和产业化发展几乎同步进行的相互融合、相互促进的科技快速发展时代,我们要有高度的紧迫感和责任感,努力推动我国乃至世界太赫兹波科学技术及其应用更进一步的发展。
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