太赫兹原理及应用

1、 太赫兹(THZ)原理及应用 林凌 叶庆 郑浩翔 顾思喻( (三三) THz) THz波的应用波的应用( (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内容概要THz在电磁波谱中的位置 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辐射辐射( (射线射线) )通常指的是频率在通常指的是频率在0.1THz10THz( (波长在波长在3m 30) )之间的电磁波，其之间的电磁波，其波段在微波和红外光之间，属于远红外波段，此波段在微波和红外光之间，属于远红外波段，此波段是人们所剩的最后一个未被开发的波段。波段是人们所剩的最

2、后一个未被开发的波段。T-射线的几个主要特性射线的几个主要特性（一）（一）相干性相干性THz技术的相干测量技术能够直接测量电场振幅和相位，可以方便地提取样品的折射率、吸收系数. （二）（二）低能性低能性(4.1 meV 1 THz)X-射线射线30kev 相差相差7个数量级个数量级 !（四）（四）大多数大多数极性分子极性分子如水分子，对如水分子，对THz辐射辐射有强烈的吸收。有强烈的吸收。 （三）（三） THz 辐射对于很多非极性物质，如电介辐射对于很多非极性物质，如电介质材料及塑料、纸箱、布料等包装材料有很强的质材料及塑料、纸箱、布料等包装材料有很强的穿透力穿透力, 可用来对已经包装的物品进

3、行质检或者可用来对已经包装的物品进行质检或者用于安全检查。用于安全检查。（五）（五）瞬态性：瞬态性： THz脉冲的典型脉宽在皮秒量级，通过电光取样测量脉冲的典型脉宽在皮秒量级，通过电光取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰。在小技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰。在小于于3THz时信噪比高达时信噪比高达104:1，远远高于傅立叶变换红，远远高于傅立叶变换红外光谱技术，而且其稳定性更好。外光谱技术，而且其稳定性更好。 （六）（六）宽带性宽带性： THz脉冲光源通常包含若干个周期的电磁振荡，单脉冲光源通常包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从个脉冲的频带可以覆盖从GHz至几

4、十至几十THz的范围，的范围，便于在大的范围里分析物质的光谱性质。便于在大的范围里分析物质的光谱性质。 THz辐射主要应用领域辐射主要应用领域生物医学生物医学安全检查安全检查 工业无损检测工业无损检测 空间物理和天文学空间物理和天文学 环境监测环境监测 化学分析化学分析 军事和通信领域军事和通信领域 一、一、THz 在国家安全、反恐方面的作用在国家安全、反恐方面的作用 由于由于 THz 波对衣物、塑料、陶瓷、硅片、纸张波对衣物、塑料、陶瓷、硅片、纸张和干木材等一系列物质具有较好的穿透性能；而和干木材等一系列物质具有较好的穿透性能；而且能够根据物质的且能够根据物质的THz“指纹谱指纹谱”，对物质

5、进行识，对物质进行识别，所以在毒品、化学生物危险品和武器等的非别，所以在毒品、化学生物危险品和武器等的非接触安全检测、邮件隐藏物的非接触检测等方面接触安全检测、邮件隐藏物的非接触检测等方面受到了反恐、保安和海关检查等部门的高度重视。受到了反恐、保安和海关检查等部门的高度重视。报纸报纸 尖刀尖刀 !THz在安全检查上的应用使用太赫兹技术研究航天飞机失事的原因使用太赫兹技术研究航天飞机失事的原因二. THz在无损检测中的应用三.THz 在医学中的应用00 05101520255101520250mmmmStandard photoTHz Imaginga tumor43210电光信号 (nA)40

6、3020100Time Delay (ps) 癌变组织 正常组织 癌变组织和正常组织的THz波具有不同的振幅，波形和时间延迟，我们可以从中得到肿瘤的大小和形状。THz 成像成像标准照片标准照片THz 波形波形肿瘤THz 乳腺肿瘤(模型)成像四. THz 在生物、环境监测上的应用在生物、环境监测上的应用 由于生物大分子的振动和转动能量均在由于生物大分子的振动和转动能量均在 THz 波段，波段，因而利用因而利用THz 辐射技术可得到辐射技术可得到 DNA 的重要信息，这对的重要信息，这对粮食选种、优良菌种选择等起着重要作用；粮食选种、优良菌种选择等起着重要作用； THz 在生物化学应用以及药物的分

7、析和检测等方面在生物化学应用以及药物的分析和检测等方面都具有良好的功能；都具有良好的功能； THz 辐射可以穿透烟雾，又可检测有毒或有害分辐射可以穿透烟雾，又可检测有毒或有害分子，所以在环境监测和保护方面将得到应用。子，所以在环境监测和保护方面将得到应用。 THz 雷达可成为未来高精度雷达的发展方向雷达可成为未来高精度雷达的发展方向: 由于由于 THz 波比通常微波的频率更高波比通常微波的频率更高,在远程军事目在远程军事目标探测、显示前方烟雾中的坦克、远距离成像、多光标探测、显示前方烟雾中的坦克、远距离成像、多光谱成像等方面有重要的应用谱成像等方面有重要的应用, 能够探测比微波雷达更小能够探测

8、比微波雷达更小的目标和实现更精确的定位，具有更高的分辨率和更的目标和实现更精确的定位，具有更高的分辨率和更强的保密性强的保密性。 THz 技术在反隐身方面有特殊的功能：目前各种军技术在反隐身方面有特殊的功能：目前各种军事目标、武器的隐身主要是针对微波、毫米波波段的事目标、武器的隐身主要是针对微波、毫米波波段的隐身，而在尚未充分开发利用的隐身，而在尚未充分开发利用的 THz 波段中几乎未涉波段中几乎未涉及。所以及。所以THz 雷达有望探测到目前各种军事目标和武雷达有望探测到目前各种军事目标和武器，将成为反隐身的军事武器。器，将成为反隐身的军事武器。THz 波用于通信可获得波用于通信可获得 10G

9、B/s 无线传输速度，比无线传输速度，比当前的超宽带技术快数百至上千倍；与可见光和红当前的超宽带技术快数百至上千倍；与可见光和红外线相比，它同时具有极高的方向性以及较强的云外线相比，它同时具有极高的方向性以及较强的云雾穿透能力。这就使得雾穿透能力。这就使得THz 通信可以以极高的带宽通信可以以极高的带宽进行高保密卫星通信。进行高保密卫星通信。THz 卫星成像和通信技术可卫星成像和通信技术可能是今后各国关注的重要领域。能是今后各国关注的重要领域。六六. THz 技术在军事通信上有独特的优势技术在军事通信上有独特的优势 常规法成像结果常规法成像结果 THz 波成像结果波成像结果七、七、THz 技术对发展新一代技术对发展新一代 IT 产业的作用产业的作用 可以预言，一旦可以预言，一旦THz 辐射源、检测技术等得到发辐射源、检测技术等得到发展，展，THz 技术将在技术将在 IT 领域具有很强的竞争力。目前领域具有很强的竞争力。目前世界上已有不少公司从事有关世界上已有不少公司从事有关 THz 技术商品化的工技术商品化的工作，如美国一些大学孵化了作，如美国一些大学孵化了 Picometrix、Phycical science Inc.、Cala