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              太赫兹的技术应用

              2012-05-23 14:44:37??????点击:



                  “Terahertz”一词是弗莱明(Fletning)于1974年提出的,用来描述迈克尔逊干涉仪的光谱线频率范围。太赫兹频段是指频率从十分之几到十几太赫兹,介于毫米波与红外光之间相当宽范围的电磁辐射区域,THz波又被称为T-射线,在频域上处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区,在电子学向光子学的过渡区域,长期以来由于缺乏有效的THz辐射产生和检测方法,对于该波段的了解有限,使得THz成为电磁波谱中最后一个未被全面研究的频率窗口,被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙(THzGap)”

                THz波具有很多独特的性质,从频谱上看,THz辐射在电磁波谱中介于微波与红外辐射之间;在电子学领域,THz辐射被称为毫米波或亚毫米波;在光学领域,它又被称为远红外射线,从能量上看,THz波段的能量介于电子和光子之间。THz的特殊电磁波谱位置赋予它很多优越的特性,有非常重要的学术价值和应用价值,得到了全世界各国研究人员的极大关注,美国、欧洲和日本尤为重视。2004年美国技术评论(TechonlogyReview)评选“改变未来世界十大技术”时,将THz技术作为其中的紧迫技术之一。2005年日本政府公布了国家10大支柱技术发展战略规划,THz位列首位。

                一、THz波的特性

                THz波的频率范围处于电子学与光子学的交叉区域.在长波方向,它与毫米波有重叠;在短波方向,它与红外线有重叠;在频域上,THz处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区。由于其所处的特殊位置,THz波表现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性质:

                1、THz脉冲的典型脉宽在亚皮秒量级,不但可以方便地对各种材料进行亚皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究,而且通过取样测量技术能够有效地抑制背景辐射噪音的干扰,得到具有很高信噪比(大于)THz电磁波时域谱,并且具有对黑体辐射或者热背景不敏感的优点;

                2、THz脉冲通常只包含若干个周期的电磁振荡,单个脉冲的频带可以覆盖从CHz至几十THz的范围,便于在大范围里分析物质的光谱性质;


                  3、THz波的相干性源于其产生机制,它是由相干电流驱动的偶极子振荡产生,或是由相干的激光脉冲通过非线性光学差频效应产生。THz波的时域光谱技术(THz-TDS)直接测量THz波的时域电场,通过傅立叶变换给出THz波的振幅和相位。因此,无需使用Kramers-Kronig色散关系,就可以提供介电常数的实部和虚部。这使测得的与THz波相互作用的介质折射率和吸收系数变得更精确;

                4、THz波的光子能量较低,1THz频率处的光子能量大约只有4mV,比X射线的光子能量弱107--108倍。因此,THz波不会对生物组织产生导致电离和破坏的有害光,特别适合于对生物组织进行活体检查;

                5、THz光子能量约为可见光,用THz做信息载体比用可见光和近中红外光能量效率高得多;

                6、THz波是具有量子特性的电磁波,具有类似微波的穿透能力,同时又具有类似光波的方向性。THz波也可以被特定的准光学器件反射、聚焦和准直,可以在特定的波导中传输。THz波对于很多非极性物质具有较强的穿透能力,可以穿透很多对于可见光和红外线不透明的物质(如塑料、陶瓷、有机织物、木材、纸张等),因而可用来对已经包装的物品进行质检或者用于安全检查;

                7、凝聚态体系的声子吸收很多位于THz波段,自由电子对THz波也有很强的吸收和散射,THz时域光谱技术是一个研究凝聚态材料中物理过程的很好的工具。特别是许多有机分子在THz波段呈现出强烈的吸收和色散特性,不同分子对于THz波的吸收和色散特性是与分子的振动和转动能级有关的偶极跃迁相联系的,而分子的偶极跃迁犹如人的指纹,是千差万别的。因此,可以通过光谱分析实现分子的识别,就如同识别人的指纹一样,THz光谱通过介电函数的实部和虚部来描述分子的转动和振动。大多数极性分子如水分子、氨分子等对THz辐射有强烈的吸收,可以通过分析它们的特征谱研究物质成分或者进行产品质量控制。

                二、THz应用技术

                THz波的独特的优越特性主要是由它在电磁波谱中所处的特殊位置决定的,而这些优越特性又是其应用前景的基础。THz波频率很高(波长比微波小1000倍以上),因而其空间分辨率很高;THz脉冲很短(飞秒级),因而THz辐射又具有很高的时间分辨率。THz时域光谱技术和THz成像技术就构成了THz应用的两个主要关键技术。

                1、THz时域光谱技术

                THz时域光谱(THz-TDS)技术是20世纪80年代由ATδT,Bell

                实验室和IBM的T.J.Watson

                研究中心发展起来的新的太赫兹技术。THz-TDS技术具有很多优点,如大带宽、高信噪比、可在室温下工作等,这些优点促成了THz

                -TDS技术越来越多的应用。目前THz-TDS技术主要应用于研究材料在THz波段的性质及物理现象,此外,也用于THz成像系统。THz-TDS技术利用THz脉冲透射样本或者从样本上反射,测量由此产生的THz时域电场通过傅立叶变换获得频域上幅度和相位的变化量,进而得到样本的信息。

                时域光谱技术作为新的太赫兹技术,近十年来已经得到了相当的发展和应用。但是目前THz-TDS技术的光谱分辨率与窄波段技术相比还很粗糙,其可以测量的频谱范围也比傅立叶变换光谱(FTS)技术小,提高光谱分辨率和扩大测量频谱范围将是未来THz-TDS技术发展的主要方向。

                2、THz成像技术

                与其他波段的成像技术一样,THz成像技术也是利用THz射线照射被测物,通过物品的透射或反射获得样品的信息,进而成像。THz成像技术可以分为脉冲和连续两种方式。前者具有THz时域光谱技术的特点,同时它可以对物质集团进行功能成像,获得物质内部的折射率分布。THz波广泛应用于无损检测领域,因此各种THz波成像技术成为THz波应用技术中主要的研究方向。

                THz波成像技术有很多种,主要有用光电导偶极子的T射线常规成像技术,用CCD摄像机的电光T射线成像技术。使用单周期脉冲T射线通过时间反演进行物体重构的成像技术,利用基尔霍夫移动的T射线反射成像技术。动态孔径和暗场T射线成像技术,T射线计算机层析成像技术,简称T射线DT。T射线衍射层析成像技术,简称T射线DT。T射线显微镜成像技术,利用近场技术等手段,分辨率可以达到微米,50--200m的T射线成像技术。不同的THz波成像技术有着不同的应用,但目前这些成像技术大多尚在研究中。

                尽管目前THz波器件技术还不成熟,使得THz波应用技术研究受到很大限制,但是太赫兹波科学技术已经向世人展现了诱人的应用前景,并吸引了很多学者和科研机构投身到太赫兹波科学技术的研究中来。随着THz波器件技术研究的快速发展,THz波科学技术将会在未来的数十年间逐渐成熟并得到广泛的应用。




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