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太赫茲波動(dòng)頻率單位是電磁波頻率的單位之一，等于1,000,000,000,000Hz，通常用于表示電磁波頻率。太赫茲波具有很多獨特的優(yōu)點(diǎn)，是一種新的輻射源，太赫茲技術(shù)也是一個(gè)非常重要的前沿領(lǐng)域，為技術(shù)創(chuàng )新、國民經(jīng)濟發(fā)展和國家安全提供了非常誘人的前景。太赫茲
波動(dòng)頻率單位
太赫茲（Tera Hertz，THz）是波動(dòng)頻率單位之一，又稱(chēng)為太赫，或太拉赫茲。等于1,000,000,000,000Hz，通常用于表示電磁波頻率。
太赫茲是一種新的、有很多獨特優(yōu)點(diǎn)的輻射源；太赫茲技術(shù)是一個(gè)非常重要的交叉前沿領(lǐng)域，給技術(shù)創(chuàng )新、國民經(jīng)濟發(fā)展和國家安全提供了一個(gè)非常誘人的機遇可能引發(fā)科學(xué)技術(shù)的革命性發(fā)展。
基本信息
| 中文名 | 太赫茲 |
| 外文名 | terahertz |
| 別名 | THz |
| 實(shí)質(zhì) | 頻率單位 |
| 用于表示 | 電磁波頻率 |
定義
太赫茲
太赫茲(THz)波的波段能夠覆蓋半導體、等離子體，有機體和生物大分子等物質(zhì)的特征譜；利用該頻段可以加深和拓展人類(lèi)對物理學(xué)、化學(xué)、天文學(xué)、信息學(xué)和生命科學(xué)中一些基本科學(xué)問(wèn)題的認識。THz技術(shù)可廣泛應用于雷達、遙感、國土安全與反恐、高保密的數據通訊與傳輸、大氣與環(huán)境監測、實(shí)時(shí)生物信息提取以及醫學(xué)診斷等領(lǐng)域。因此，THz研究對國民經(jīng)濟和國家安全有重大的應用價(jià)值。
歷史
早期太赫茲在不同的領(lǐng)域有不同的名稱(chēng)，在光學(xué)領(lǐng)域被稱(chēng)為遠紅外，而在電子學(xué)領(lǐng)域，則稱(chēng)其為亞毫米波、超微波等。在20世紀80年代中期之前，太赫茲波段兩側的紅外和微波技術(shù)發(fā)展相對比較成熟，但是人們對太赫茲波段的認識仍然非常有限，形成了所謂的“THz Gap”。
2004年，美國政府將THz科技評為“改變未來(lái)世界的十大技術(shù)”之一，而日本于2005年1月8日更是將THz技術(shù)列為“國家支柱十大重點(diǎn)戰略目標”之首，舉全國之力進(jìn)行研發(fā)。
我國政府在2005年11月專(zhuān)門(mén)召開(kāi)了“香山科技會(huì )議”，邀請國內多位在THz研究領(lǐng)域有影響的院士專(zhuān)門(mén)討論我國THz事業(yè)的發(fā)展方向，并制定了我國THz技術(shù)的發(fā)展規劃。目前國內已經(jīng)有多家研究機構開(kāi)展太赫茲領(lǐng)域的相關(guān)研究，其中首都師范大學(xué)，是入手較早，投入較大的一家，并且在毒品和炸藥太赫茲光譜、成像和識別方面，利用太赫茲對非極性航天材料內部缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測方面做出了許多開(kāi)拓性的工作，同時(shí)由于太赫茲射線(xiàn)在安全檢查方面的獨特優(yōu)勢，首都師范大學(xué)太赫茲實(shí)驗室正集中力量研發(fā)能夠用于實(shí)景測試的安檢原型設備。另外，美國、歐洲、亞洲、澳大利亞等許多國家和地區政府、機構、企業(yè)、大學(xué)和研究機構紛紛投入到THz的研發(fā)熱潮之中。THz研究領(lǐng)域的開(kāi)拓者之一，美國著(zhù)名學(xué)者張希成博士稱(chēng)：“Nextray, T-Ray！”。
特點(diǎn)
- 量子能量和黑體溫度很低，如表1所示。
- 許多生物大分子的振動(dòng)和旋轉頻率都處于THz波段，所以利用THz波可以獲得豐富的生物及其材料信息。
- THz輻射能以很小的衰減穿透如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等物質(zhì)。
- THz的時(shí)域頻譜信噪比很高，使THz非常適用于成像應用。
- 瞬時(shí)帶寬很寬(0.1～10THz)，利于高速通信，如右圖所示。
應用
太赫茲成像技術(shù)和太赫茲波譜技術(shù)由此構成了太赫茲應用的兩個(gè)主要關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)，由于太赫茲能量很小，不會(huì )對物質(zhì)產(chǎn)生破壞作用，所以與X射線(xiàn)相比更具有優(yōu)勢。
THz時(shí)域光譜技術(shù)
太赫茲
THz成像技術(shù)
跟其他波段的成像技術(shù)一樣，THz成像技術(shù)也是利用THz射線(xiàn)照射被測物，通過(guò)物品的透射或反射獲得樣品的信息，進(jìn)而成像。THz成像技術(shù)可以分為脈沖和連續兩種方式。前者具有THz時(shí)域光譜技術(shù)的特點(diǎn)。同時(shí)它可以對物質(zhì)集團進(jìn)行功能成像，獲得物質(zhì)內部的折射率分布。例如葵花籽可以和容易獲得葵花子的內部信息。圖3-4 給出了葵花籽樣品的實(shí)物照片和相應方法重構的THz 透射圖像，能清晰地分辨果殼的輪廓和隱藏在果殼中果仁的形狀，這是最希望的。同樣，如果樣品是人的牙齒，那么牙齒的正常部分與損蛀部分將很容易的區分開(kāi)，同時(shí)不必照射x射線(xiàn)，對人體沒(méi)有附加傷害。
安全檢查
利用安全檢查應該說(shuō)是現階段最吸引人的THz技術(shù)，它的本質(zhì)原理是THz成像，目前由于目前主要采用連續波THz源，而且又由于它要解決的是目前最受人關(guān)注的反恐、緝毒等最讓人關(guān)注的問(wèn)題，所以單列出來(lái)。目前英國發(fā)展的THz安檢設備已經(jīng)進(jìn)入試用階段。由于THz射線(xiàn)的穿透性和對金屬材料的強反射特性，并且THz的高頻率使得成像的分辨率更高，所以可以很容易看到隱藏在衣物、鞋內的刀具、槍械等物品。同時(shí)如果結合THz的物質(zhì)鑒別特性，能夠區分你身上是否攜帶炸藥或毒品。首都師范大學(xué)THz實(shí)驗室已經(jīng)建立了常見(jiàn)的炸藥和毒品的數據譜庫，可以設想再過(guò)幾年，可以真正在機場(chǎng)見(jiàn)到真正的THz安檢的設備。另外，世界范圍內引起社會(huì )動(dòng)蕩的自殺式炸彈恐怖襲擊，也可以利用THz安檢設備進(jìn)行防范。因為站崗的可以不再是士兵或保安人員，而是THz安檢儀，人們不需要靠近可疑分子就可以對其進(jìn)行檢查。
THz雷達
實(shí)際上也是成像的一種。鑒于大氣中水分對THz射線(xiàn)的強吸收作用，所以近距離雷達是THz射線(xiàn)的優(yōu)勢所在。一個(gè)非常讓人向往的應用是穿墻雷達和探雷雷達，當然也可以用于抗震救災中遇難者的搜救，目前還處于研發(fā)階段。這是由于墻壁，木材等材料對THz透過(guò)，而人體包含大量水分，不透過(guò)THz，因此可以透過(guò)墻壁偵查到屋內的人員的分布和活動(dòng)，將反恐怖反綁架起到深遠的影響，同理也可以用于廢墟下人體的尋找。而探雷雷達是由于地雷一般在地表或地表附近，而干燥的泥土可以透過(guò)THz射線(xiàn)，而地雷將會(huì )把THz射線(xiàn)反射回來(lái)，從而可以發(fā)現目標。
天文學(xué)
在宇宙中，大量的物質(zhì)在發(fā)出THz電磁波。炭（C）、水（H2O）、一氧化碳（CO）、氮（N2）、氧（O2）等大量的分子可以在THz頻段進(jìn)行探測。而這些物質(zhì)在應用THz技術(shù)以前一部分根本無(wú)法探測而另一部分只能在海拔很高或者月球表面才可以探測到。
通信技術(shù)
THz用于通信可以獲得10GB/s的無(wú)線(xiàn)傳輸速度，特別是衛星通信，由于在外太空，近似真空的狀態(tài)下，不用考慮水分的影響，這比當前的超寬帶技術(shù)快幾百至一千多倍。這就使得THz通信可以以極高的帶寬進(jìn)行高保密衛星通信。雖然由于缺乏高效的THz發(fā)射天線(xiàn)和源，使其還無(wú)法在通信領(lǐng)域商業(yè)化，但這必將由新型的發(fā)射裝置和發(fā)射源所解決。
太赫茲輻射
德國電子同步加速器研究所報告說(shuō)，強烈的太赫茲輻射可引發(fā)水分子劇烈震動(dòng)，打斷水分子間的氫鍵。這種方法可將約一納升（十億分之一升）水在半皮秒（一皮秒為一萬(wàn)億分之一秒）內加熱至600攝氏度。
報告指出，一納升水雖然聽(tīng)起來(lái)不多，但對很多實(shí)驗來(lái)講已經(jīng)足夠。一皮秒比一眨眼的時(shí)間還要快很多，因此這種燒開(kāi)水的方法可稱(chēng)得上是迄今最快的。
雖然這一“燒水”法尚未投入實(shí)踐，但研究人員表示，水在許多化學(xué)與生物過(guò)程中扮演重要角色，新發(fā)現或可為化學(xué)與生物領(lǐng)域提供更多實(shí)驗可能。
生物醫學(xué)
中國工程院院士杜祥琬院士指出，在所有物理技術(shù)中，電磁波技術(shù)對醫學(xué)的促進(jìn)作用尤其突出。從1901年X線(xiàn)獲得第一屆諾貝爾物理學(xué)獎開(kāi)始，已有5項與生物醫學(xué)相關(guān)的諾貝爾獎授予了X光譜技術(shù)領(lǐng)域。
太赫茲技術(shù)在生物醫學(xué)方面的應用，生物大分子相互作用是重大生命現象與病變產(chǎn)生的關(guān)鍵動(dòng)因，而太赫茲光子能量覆蓋了生物大分子空間構象的能級范圍。該頻段包含了其他電磁波段無(wú)法探測到的直接代表生物大分子功能的空間構象等重要信息。因此，可以發(fā)展一種利用太赫茲探測和干預生物大分子相互作用過(guò)程的新理論和新技術(shù)，為當前重大疾病診斷、有效干預提供先進(jìn)的技術(shù)手段。
中國工程物理研究院流體物理研究所李澤仁研究員也表示，目前通過(guò)國家對太赫茲源、探測器及成像系統等關(guān)鍵技術(shù)與儀器設備的大力支持，我國已基本具備開(kāi)展太赫茲生物醫學(xué)研究的基礎。
其他
此外，太赫茲在半導體材料、高溫超導材料的性質(zhì)研究等領(lǐng)域也有廣泛的應用。研究該頻段不僅將推動(dòng)理論研究工作的重大發(fā)展，而且對固態(tài)電子學(xué)和電路技術(shù)也將提出重大挑戰。
目前，籠統的說(shuō)THz技術(shù)的研究主要圍繞三大部分內容展開(kāi)，THz產(chǎn)生源、THz探測和應用研究。目前最大的困難還是沒(méi)有高功率便攜式連續可調的成本較低的THz發(fā)射源和滿(mǎn)足現實(shí)要求的濾光片，另外也沒(méi)有能夠常溫下直接探測太赫茲射線(xiàn)的被動(dòng)式探測器。
發(fā)展現狀
THz科學(xué)與技術(shù)已經(jīng)被國際科學(xué)界公認為是下一代IT產(chǎn)業(yè)的基礎，吸引各國科學(xué)家目光的同時(shí)也吸引了不少?lài)夤具M(jìn)行THz商業(yè)化產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。近年來(lái)THz科技產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迅猛，包括THz輻射源、THz探測器、THz譜分析系統、THz成像系統等產(chǎn)業(yè)化技術(shù)已經(jīng)成功地應用于多個(gè)領(lǐng)域，目前世界上已經(jīng)有超過(guò)80家的高科技公司研發(fā)銷(xiāo)售THz的相關(guān)產(chǎn)品，它們主要集中在歐洲、美國，其中不乏實(shí)力雄厚的大型企業(yè)。THz領(lǐng)域已經(jīng)逐漸成為高新科技產(chǎn)業(yè)技術(shù)的必爭之地。
由美國Univ. of Michigan及Univ. of Stanford孵化出Picometrix公司主要生產(chǎn)THz檢測系統，用THz成像系統檢查宇宙飛船外壁薄板內部缺陷，已投入使用；Rensselaer Polytechnic Institute孵化了ZOMEGA公司，主要生產(chǎn)THz譜分析系統、成像系統，其一款產(chǎn)品Mini Z已具備了機載檢測的可能。近年來(lái)，一些美國知名企業(yè)也紛紛將目光轉向THz產(chǎn)品的生產(chǎn)，包括Coherent公司、VDI公司、Thorlabs公司、ImraAmerica公司、Physical science公司等，其中VDI公司主要生產(chǎn)THz、毫米波固態(tài)振蕩源及小型集成系統，產(chǎn)品頻率最高能達到1.7THz，主要用于衛星通信、天文探測、氣象監測、遙感成像等領(lǐng)域；IBM公司開(kāi)發(fā)出硅鍺THz微處理器芯片IBM．GeorgiaTech，室溫下芯片的時(shí)鐘頻率可達到0.35THz，遠遠高于標準的PC處理器芯片，在低溫環(huán)境下，鍺芯片能夠獲得更高的性能，時(shí)鐘頻率可達到0.5THz。
英國建立了ThruVision公司專(zhuān)門(mén)從事有關(guān)THz成像的商品化工作，開(kāi)發(fā)出被動(dòng)式THz成像儀，目前已有商業(yè)化無(wú)源THz成像系統。英國劍橋大學(xué)孵化出的高科技公司TeraView從事THz攝像機的開(kāi)發(fā)，研制的TPI Imaga 1000和TPI Imaga 2000三維成像系統，是國際上首臺用于材料物理化學(xué)特性的THz商業(yè)成像系統，可用于無(wú)損分析和檢測。英國的EI公司已經(jīng)生產(chǎn)出THz氣體激光器：愛(ài)爾蘭的Farran公司也從事THz源及探測器產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。此外，德國、瑞士、法國等國近年來(lái)也出現了多家基于生產(chǎn)THz技術(shù)相關(guān)產(chǎn)品的公司。亞洲相關(guān)公司主要集中在日本和韓國。如日本Nikon公司已經(jīng)生產(chǎn)YRayfact系列THz成像系統：村田制作圍繞THz技術(shù)也開(kāi)發(fā)出了新的THz相關(guān)應用商品；日本富士通公司如今也己開(kāi)始從事THz激光器的研究；臺灣聯(lián)華電子(UMC)采用其0.13μm RFCMOS工藝技術(shù)，已制造出振蕩頻率為0.192THz的雙推式電壓控制振蕩器，創(chuàng )下了目前硅芯片最高振蕩頻率的紀錄(若采用65nm工藝，振蕩頻率預計可達到0.35～0.4THz)。綜上所述，以THz科技為基礎的新一代IT產(chǎn)業(yè)已開(kāi)始逐步形成，THz科技產(chǎn)業(yè)化在今后將會(huì )逐漸步入到工業(yè)生產(chǎn)、醫療檢測、環(huán)境監測、安全檢查等領(lǐng)域。
前景
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