太赫兹

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太赫兹(Tera Hertz,THz)是波动频率单位之一,又称为太赫,或太拉赫兹。等于1,000,000,000,000Hz,通常用于表示电磁波频率。
太赫兹是一种新的、有很多独特优点的辐射源;太赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿领域,给技术创新、国民经济发展和国家安全提供了一个非常诱人的机遇可能引发科学技术的革命性发展。 [1] 
中文名
太赫兹
外文名
terahertz
简    称
THz
实    质
频率单位
用于表示
电磁波频率

太赫兹定义

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太赫兹(THz)波是指频率在0.1~10 THz(波长为3000~30μm)范围内的电磁波,在长波段与毫米波相重合,在短波段与红外光相重合,是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区,也是电子学向光子学的过渡区,称为电磁波谱的“太赫兹空隙(THz gap)”。 [1] 
太赫兹(THz)波的波段能够覆盖半导体、等离子体,有机体和生物大分子等物质的特征谱;利用该频段可以加深和拓展人类对物理学、化学、天文学、信息学和生命科学中一些基本科学问题的认识。THz技术可广泛应用于雷达、遥感、国土安全与反恐、高保密的数据通讯与传输、大气与环境监测、实时生物信息提取以及医学诊断等领域。因此,THz研究对国民经济和国家安全有重大的应用价值。 [2] 

太赫兹历史

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早期太赫兹在不同的领域有不同的名称,在光学领域被称为远红外,而在电子学领域,则称其为亚毫米波、超微波等。在20世纪80年代中期之前,太赫兹波段两侧的红外和微波技术发展相对比较成熟,但是人们对太赫兹波段的认识仍然非常有限,形成了所谓的“THz Gap”。
  2004年,美国政府将THz科技评为“改变未来世界的十大技术”之一,而日本于2005年1月8日更是将THz技术列为“国家支柱十大重点战略目标”之首,举全国之力进行研发。
我国政府在2005年11月专门召开了“香山科技会议”,邀请国内多位在THz研究领域有影响的院士专门讨论我国THz事业的发展方向,并制定了我国THz技术的发展规划。目前国内已经有多家研究机构开展太赫兹领域的相关研究,其中首都师范大学,是入手较早,投入较大的一家,并且在毒品和炸药太赫兹光谱、成像和识别方面,利用太赫兹对非极性航天材料内部缺陷进行无损检测方面做出了许多开拓性的工作,同时由于太赫兹射线在安全检查方面的独特优势,首都师范大学太赫兹实验室正集中力量研发能够用于实景测试的安检原型设备。另外,美国、欧洲、亚洲、澳大利亚等许多国家和地区政府、机构、企业、大学和研究机构纷纷投入到THz的研发热潮之中。THz研究领域的开拓者之一,美国著名学者张希成博士称:“Nextray, T-Ray!”。

太赫兹特点

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  1. 量子能量和黑体温度很低,如表1所示。
  2. 许多生物大分子的振动和旋转频率都处于THz波段,所以利用THz波可以获得丰富的生物及其材料信息。
  3. THz辐射能以很小的衰减穿透如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等物质。
  4. THz的时域频谱信噪比很高,使THz非常适用于成像应用。
  5. 瞬时带宽很宽(0.1~10THz),利于高速通信,如右图所示。 [1] 

太赫兹应用

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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。

太赫兹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,主要是中国,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,这是最希望的。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。

太赫兹安全检查

利用安全检查应该说是现阶段最吸引人的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最受人关注的反恐、缉毒等最让人关注的问题,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。

太赫兹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。

太赫兹天文学

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。

太赫兹通信技术

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。

太赫兹太赫兹辐射

德国研究人员利用超级计算机计算发现,利用强烈的太赫兹辐射,可实现在不到万亿分之一秒内瞬间将微量水烧开。
太赫兹辐射是指频率从0.1太赫兹到10太赫兹,波长介于毫米波与红外线之间的电磁辐射区域。一太赫兹等于一万亿赫兹。
德国电子同步加速器研究所报告说,强烈的太赫兹辐射可引发水分子剧烈震动,打断水分子间的氢键。这种方法可将约一纳升(十亿分之一升)水在半皮秒(一皮秒为一万亿分之一秒)内加热至600摄氏度。
报告指出,一纳升水虽然听起来不多,但对很多实验来讲已经足够。一皮秒比一眨眼的时间还要快很多,因此这种烧开水的方法可称得上是迄今最快的。
虽然这一“烧水”法尚未投入实践,但研究人员表示,水在许多化学与生物过程中扮演重要角色,新发现或可为化学与生物领域提供更多实验可能。 [3] 

太赫兹生物医学

中国工程院院士杜祥琬院士指出,在所有物理技术中,电磁波技术对医学的促进作用尤其突出。从1901年X线获得第一届诺贝尔物理学奖开始,已有5项与生物医学相关的诺贝尔奖授予了X光谱技术领域。
太赫兹技术在生物医学方面的应用,生物大分子相互作用是重大生命现象与病变产生的关键动因,而太赫兹光子能量覆盖了生物大分子空间构象的能级范围。该频段包含了其他电磁波段无法探测到的直接代表生物大分子功能的空间构象等重要信息。因此,可以发展一种利用太赫兹探测和干预生物大分子相互作用过程的新理论和新技术,为当前重大疾病诊断、有效干预提供先进的技术手段。
中国工程物理研究院流体物理研究所李泽仁研究员也表示,目前通过国家对太赫兹源、探测器及成像系统等关键技术与仪器设备的大力支持,我国已基本具备开展太赫兹生物医学研究的基础。 [4] 

太赫兹其他

此外,太赫兹在半导体材料、高温超导材料的性质研究等领域也有广泛的应用。研究该频段不仅将推动理论研究工作的重大发展,而且对固态电子学和电路技术也将提出重大挑战。
目前,笼统的说THz技术的研究主要围绕三大部分内容展开,THz产生源、THz探测和应用研究。目前最大的困难还是没有高功率便携式连续可调的成本较低的THz发射源和满足现实要求的滤光片,另外也没有能够常温下直接探测太赫兹射线的被动式探测器。

太赫兹发展现状

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THz科学与技术已经被国际科学界公认为是下一代IT产业的基础,吸引各国科学家目光的同时也吸引了不少国外公司进行THz商业化产品的开发。近年来THz科技产业化发展迅猛,包括THz辐射源、THz探测器、THz谱分析系统、THz成像系统等产业化技术已经成功地应用于多个领域,目前世界上已经有超过80家的高科技公司研发销售THz的相关产品,它们主要集中在欧洲、美国,其中不乏实力雄厚的大型企业。THz领域已经逐渐成为高新科技产业技术的必争之地。
由美国Univ. of Michigan及Univ. of Stanford孵化出Picometrix公司主要生产THz检测系统,用THz成像系统检查宇宙飞船外壁薄板内部缺陷,已投入使用;Rensselaer Polytechnic Institute孵化了ZOMEGA公司,主要生产THz谱分析系统、成像系统,其一款产品Mini Z已具备了机载检测的可能。近年来,一些美国知名企业也纷纷将目光转向THz产品的生产,包括Coherent公司、VDI公司、Thorlabs公司、ImraAmerica公司、Physical science公司等,其中VDI公司主要生产THz、毫米波固态振荡源及小型集成系统,产品频率最高能达到1.7THz,主要用于卫星通信、天文探测、气象监测、遥感成像等领域;IBM公司开发出硅锗THz微处理器芯片IBM.GeorgiaTech,室温下芯片的时钟频率可达到0.35THz,远远高于标准的PC处理器芯片,在低温环境下,锗芯片能够获得更高的性能,时钟频率可达到0.5THz。
英国建立了ThruVision公司专门从事有关THz成像的商品化工作,开发出被动式THz成像仪,目前已有商业化无源THz成像系统。英国剑桥大学孵化出的高科技公司TeraView从事THz摄像机的开发,研制的TPI Imaga 1000和TPI Imaga 2000三维成像系统,是国际上首台用于材料物理化学特性的THz商业成像系统,可用于无损分析和检测。英国的EI公司已经生产出THz气体激光器:爱尔兰的Farran公司也从事THz源及探测器产品的开发。此外,德国、瑞士、法国等国近年来也出现了多家基于生产THz技术相关产品的公司。亚洲相关公司主要集中在日本和韩国。如日本Nikon公司已经生产YRayfact系列THz成像系统:村田制作围绕THz技术也开发出了新的THz相关应用商品;日本富士通公司如今也己开始从事THz激光器的研究;台湾联华电子(UMC)采用其0.13μm RFCMOS工艺技术,已制造出振荡频率为0.192THz的双推式电压控制振荡器,创下了目前硅芯片最高振荡频率的纪录(若采用65nm工艺,振荡频率预计可达到0.35~0.4THz)。综上所述,以THz科技为基础的新一代IT产业已开始逐步形成,THz科技产业化在今后将会逐渐步入到工业生产、医疗检测、环境监测、安全检查等领域。 [1] 

太赫兹前景

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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。

太赫兹技术突破

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2016年10月28日消息,中国航天科工集团23所已获得中国首幅太赫兹波段外场SAR图像,太赫兹波段雷达成像关键技术取得突破性成果。通过首幅太赫兹波段外场SAR图像,主要技术指标和成像算法得到了试验验证,为太赫兹雷达工程应用奠定了技术基础。不过,由于高功率太赫兹辐射源发展水平的限制,太赫兹雷达系统成像目前尚无法完全满足实际应用需求。 [5] 
参考资料
词条标签:
科学百科数理科学分类 科学 学科