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              太赫兹定义和应用知多少

              2012-05-21 21:36:35??????点击:


                  THz波(太赫兹波)或称为THz射线(太赫兹射线)是从上个世纪80年代中后期,才被正式命名的,在此以前科学家们将统称为远红外射线。太赫兹波是指频率在0.3THz到3THz范围的电磁波,波长大概在0.1mm(100um)到1mm范围,介于微波与红外之间。实际上,早在一百年前,就有科学工作者涉及过这一波段。在1896年和1897年,Rubens和Nichols就涉及到这一波段,红外光谱到达9um(0.009mm)和20um(0.02mm),之后又有到达50um的记载。之后的近百年时间,远红外技术取得了许多成果,并且已经产业化。但是涉及太赫兹波段的研究结果和数据非常少,主要是受到有效太赫兹产生源和灵敏探测器的限制,因此这一波段也被称为THz间隙。随着80年代一系列新技术、新材料的发展,特别是超快技术的发展,使得获得宽带稳定的脉冲THz源成为一种准常规技术,THz技术得以迅速发展,并在实际范围内掀起一股THz研究热潮。

                太赫兹的独特性能给通信(宽带通信)、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像(无标记的基因检查、细胞水平的成像)、无损检测、安全检查(生化物的检查)等领域带来了深远的影响。由于太赫兹的频率很高,所以其空间分辨率也很高;又由于它的脉冲很短(皮秒量级)所以具有很高的时间分辨率。太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术由此构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。同时,由于太赫兹能量很小,不会对物质产生破坏作用,所以与X射线相比更具有优势。另外,由于生物大分子的振动和转动频率的共振频率均在太赫兹波段,因此太赫兹在粮食选种,优良菌种的选择等农业和食品加工行业有着良好的应用前景。太赫兹的应用仍然在不断的开发研究当中,其广袤的科学前景为世界所公认。

                THz时域光谱技术:目前已经开始商业化运作,世界范围内已经有多家企业开始生产商用THz时域光谱仪,主要是美国,欧洲和日本的厂家。THz时域光谱技术的基本原理是利用飞秒脉冲产生并探测时间分辨的THz电场,通过傅立叶变换获得被测物品的光谱信息,由于大分子的振动和转动能级大多在THz波段,而大分子,特别是生物和化学大分子是具有本身物性的物质集团,进而可以通过特征频率对物质结构、物性进行分析和鉴定。一个比较重要的应用可以作为药品质量监管。设想一下制药厂的流水线上安装一台THz时域光谱仪,从药厂出厂的每一片药都进行光谱测量,并与标准的药物进行光谱对比,合格的将进入下一个环节,否则在流水线上将劣质药片清除掉,避免不同药片或不同批次药片的品质差异,保证药品的品质。

              太赫兹时域光谱仪示意图(THz-TDS)

                THz成像技术:跟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。例如葵花籽可以和容易获得葵花子的内部信息。图3-4给出了葵花籽样品的实物照片和相应方法重构的THz透射图像,能清晰地分辨果壳的轮廓和隐藏在果壳中果仁的形状。同样,如果样品是人的牙齿,那么牙齿的正常部分与损蛀部分将很容易的区分开,同时不必照射x射线,对人体没有附加伤害。


                安全检查:利用安全检查应该说是现阶段较吸引人的THz技术,它的本质原理是THz成像,目前由于目前主要采用连续波THz源,而且又由于它要解决的是目前受人关注的反恐、缉毒等让人关注的问题,所以单列出来。目前英国发展的THz安检设备已经进入试用阶段。由于THz射线的穿透性和对金属材料的强反射特性,并且THz的高频率使得成像的分辨率更高,所以可以很容易看到隐藏在衣物、鞋内的刀具、枪械等物品。同时如果结合THz的物质鉴别特性,能够区分你身上是否携带炸药或毒品。首都师范大学THz实验室已经建立了常见的炸药和毒品的数据谱库,可以设想再过几年,可以真正在机场见到真正的THz安检的设备。另外,世界范围内引起社会动荡的自杀式炸弹恐怖袭击,也可以利用THz安检设备进行防范。因为站岗的可以不再是士兵或保安人员,而是THz安检仪,人们不需要靠近可疑分子就可以对其进行检查。

                THz雷达:实际上也是成像的一种。鉴于大气中水分对THz射线的强吸收作用,所以近距离雷达是THz射线的优势所在。一个非常让人向往的应用是穿墙雷达和探雷雷达,当然也可以用于抗震救灾中遇难者的搜救,目前还处于研发阶段。这是由于墙壁,木材等材料对THz透过,而人体包含大量水分,不透过THz,因此可以透过墙壁侦查到屋内的人员的分布和活动,将反恐怖反绑架起到深远的影响,同理也可以用于废墟下人体的寻找。而探雷雷达是由于地雷一般在地表或地表附近,而干燥的泥土可以透过THz射线,而地雷将会把THz射线反射回来,从而可以发现目标。

                天文学:在宇宙中,大量的物质在发出THz电磁波。炭(C)、水(H2O)、一氧化碳(CO)、氮(N2)、氧(O2)等大量的分子可以在THz频段进行探测。而这些物质在应用THz技术以前一部分根本无法探测而另一部分只能在海拔很高或者月球表面才可以探测到。

                通信技术:THz用于通信可以获得10GB/s的无线传输速度,特别是卫星通信,由于在外太空,近似真空的状态下,不用考虑水分的影响,这比当前的超宽带技术快几百至一千多倍。这就使得THz通信可以以极高的带宽进行高保密卫星通信。虽然由于缺乏高效的THz发射天线和源,使其还无法在通信领域商业化,但这必将由新型的发射装置和发射源所解决。


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