太赫兹 科学技术及的应用

THz科学技术及应用沟容槪要_____(-)什么是THz波？THz在电磁波谱屮的位置THz辐射（T射线）通常指的是频率在O.lTHz〜lOTHz（波长在3mm〜30gm）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，此波段是人们所剩的最后一个未被开发的波段。108109IO101011

10121013101410151016Frequency(Hz)ITHz〜Ips〜3OOhh卜33cmUV-48KTHz波具有波的特性：衍射和r•涉塑料板卜.的单孔510152025Time(ps)ci5o5oo211EE)X单孔衍射(<))=1.8mm)0.5THzr◦01CM1.5THzEVoo01§2Eo22THzRKOo012杨氏1•涉实验uh:问

IIjr201427X000.5THz*01201CJOCXJo___________r（二）THz波的主要特征T-射线的几个主要特性(―)相干性*Hz技术的相十测盘技术能够也接测呈电场振巾M和相位，可以方便地提取样品的折射率、吸收系数.(二)低能性(4.1meV~1THz)X•射线〜30kev相差7个数量级!!（三）THz辐射对于很多非极性物质，如电介质材料及塑料、纸箱、布料等與装材料有很强的穿透为，句甫莱射巳题装龆WrS进行质检或者用于妾全检査。（四）大多数极性分子如水分子，对THz辐射有强烈的吸收。在THz成像技术中，可以利用对水的强烈吸收特性分辨生物组织的不同状态，如对人体烧伤部位的损伤程度进行诊断，还可以进行产品质量控制，如测量食品表面水分含量以确定其新鲜程度。树叶新鲜火腿肉THz成像(Hu&Nuss，

1995)2天后1（五）瞬态性:THz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。在小于3THz时信噪比高达104:1,远远高于傅立叶变换红外光谱技术，而且其稳定性更好。（六）宽带性:THz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GHz至几十THz的范围，便于在大的范围里分析物质的光谱性质。T-射线的这些特性使得THz技术在很多方面可以成为傅立叶变换红外光谱技术和X射线技术的互补技术。（三）THz波的产生与探测.太赫兹辐射源和探测器介绍辐射源：电光品体（光整流）光电导灭线（更A功率）&unn振荡器，冷等离子体等等。探测器：电光晶体（电光效应）热辐射探测器（bolometer）光电导偶极灭线（岛灵敏度）等。THz波的产生常用的两种产生方法:光电导天线的基本原理职上金城电极制成偶极天线结构，金属电极在这里的作用是对这些光电导半导体施加偏压。当超快激光打在两电极之间的光电导材料上时,会在其表面瞬间（10_14s量级）产生大量的电子一空穴对。这些光生自由载流子会在外加偏背电场和内建电场的作川下作加速运动，从而在光电导半导体材料的表面形成瞬变的光电流。最终这种快速的、随吋间变化的电流会向外辐射出太赫兹脉沖。_光整流的基本原理光整流足产屯太赫兹脉冲的W-种机制，它是一种非线性效放，是电光效放的逆过瑕。超短激光脉冲入射到非线性介质中，由差频振荡效应会产生一个低频振荡的时变电极化场。这个电极化场就可以辐射出太赫兹波來。这是因为所辐射出的电磁波的频率上限4入射激光的脉宽有关，如果入射激光的脉宽在亚皮秒量级，则辐射出的电磁波的频率上限就会在太赫兹量级，由此这种光整流效应被称作为亚皮秒光整流效应，或太赫兹THz波的探测常用的两种方法:+光导天线的方法-+电光取样的方法光导天线的探测方法-口将一个未加偏s电）玉的光豆k线放置于太赫兹光路之中，用一朿探测脉沖打到光屯$介质上，这时在介质中能够产生出电子-空穴对（自由载流子），而此时同步到达的太赫兹脉沖则作为加在光导天线上的偏置电场，以此来驱动那些载流子运动，从而在光导天线屮形成光电流。□最后，用一个与光导天线相连的电流表来探测这个电流即可。其屮，这个光电流与THz瞬时电场是成om；-返1门！电光取样的方法电光取样测S技术基十线性电光效应:当太赫兹脉冲通过电光品体时，它会发生瞬态双折射，从而影响探测（取样）脉冲在品体中的传播。当探测脉冲和太赫兹脉冲M时通过电光品体时，太赫兹脉冲电场会导致品体的折射率发生谷向异性的改变，致使探测脉冲的偏振态发生变化。调整探测脉冲和太赫兹脉沖之间的时间延迟，检测探测光/!■:品体中发生的偏振变化就n了以得到太赫兹脉冲电场的时域波形。-MHPMI-flMI4ndDeknStage基于InAs半导体的太赫兹时域光谱系统M9..MSInAsEEmitlcrPBSL3i

ZHTe-1

SensorM2LaserM5lockini、:1

xMIOiM124m⑽［0都师范大7物理系太赫兹光屯子7較fi部至点实验室（叫）THz波的应用目前全世界有100个以上的研究小组在进行4THz有关的研究美国:要研究力量欧洲：Teravision,Tera-—bridgeTeraviewLtd,Fl本：Tera-photonics台湾：Tera-photonicsChina:NNSFC新的THz项IITHz辐射主要应用领域生物医学安全检査工业无损检测空间物理和天文学环境监测化学分析军事和通信领域—、THz在国家安全、反处方面的作用由于THz波对衣物、徵料、陶瓷、琏斤、紙张和干木材等一系列物质具有较好的穿送性能；而且能够根据物质的THz#推纹谱#，对物质进行识别，所以在毒品、化学生物危除品和武器等的昧接触安全检测、邮件隐藏物的非接觫检测等方面受到了反建、保安和海关检查等部门的商度重视o1.THz在安全检查上的应用Spottheknife?MiHimeterclosetoteraheitz.showtheirabilitytoseethroughclothesandpaper.THz在安全检查上的应用恐怖分子人质T-射线收发器\/当瞥察需耍从厘外确知人质、恐怖分子和武器的详细位置和状况的吋候，我们N*否使用THz收发器来帮忙？Q4FircquiencyfTHz)IjO-0.4O.B1.21.62.D2.4FrBqueneyfTHz)2.THz在毒品检测中的应用测量环境：充氮气后，测量系统湿度低于4%，温度为室温以氯胺酮为例的THz光谱测量结果x_pyl--Ot'n-B】«UUBqJC«aq<A_.B1.1J2.甲基安非他明（ma）、3,4-亚甲二氧基安非他明（MDMA）和阿司匹林空间图样成分分析方法得到的实验结果t1]:黄色为MDMA，蓝色为阿司匹林，红色为MA^1lKodoKawase.YuichiOgawa,YuukiWatanable,HiroyukiInoue,OPTICSEXPRESS.11,2549-2554(2003)CapitalNormalUniversity2,4-DNT6005004003002001000Wavenumber(cm|1|i|1-J

0.006005004003002001000Wavenumber(cm1)J0.152-amino-4,6，DNT6005004003002001000Wavenumber(cm1)几种炸药的远红外濟NJii0.030.00-6Q&3.THz在爆炸物检测中的批用>0,400■300,

1000'avenumber(cm：1)05eqjosq<Absorbance0,150‘Ck10050.00CL50◦co<0.400.300.200.100,002961oo■_Isooosugqjsq<:.THz在无损检测中的应用使用太赫兹技术研究航天飞机失事的原因DefectsneartheFoam/SubstrateInterface.在医学成像、诊断上的特殊作用•MR,CT,PET在艮学成像中发挥很大的作用，但有局限性。•PET有很商的灵敏度但空间分鳞丰襲o•T-ray成像可能解决上述闲■THz与X-ray的最大区别在于，它在返紅外区，光子統量比X-ray小约百万格，没有南子化«射问■THz類率段正好处在分子相jc作用故，它可以绝出位*和堆度的信息。可用于分子活动的研究，并給出很商的空阆分辨率（〜300um）o■它很少散射，使成像很筒单，不需*进行散射校正。■THz-『3y在成像中的最重*的特性是，在THz-ray作用下，不闻的分子具有特定的相i作用，可用于在分子尺度上的材料确定，用于诗断疾病和癌疹的早期龙现。■THz-ray可用于计算机照相THz-rayGT可获得三级分子成化学的田象，其分姆本可达um量级。THz在医学中的应用标准照片THz波形肿癖THz乳腺肿瘤（模型）成像So010203040TimeDelay(ps)THz成像<4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。P^l.THz在生物、环境&测上的应用•由于生物大分子的振动和转动能♦均在THz波段，因而利用THz箱射技术可得«DNA的重要信息，这对辕食选种、优fc菌种选择等起着重要作用j•THz在生物化学应用以及药物的分析和检測等方而都具有良好的功能j•THz«射可以穿送烟雾，又可检測有毒或有害分不同厂家镇静类药的太赫兹光谱研究1.不同厂家地西泮药及其有效成分的太赫兹光谱比较灯效成分A■it：

3.7%厂家：北京益民制药厂、天津力生制药厂不同厂家地西泮药(a)以及其有效成分纯地西泮中)在0.2、2.6THz范围的吸收光谱原因：有效成分含量小：-2、不同厂家瓣杂物成分不同。-不同厂家卡马西平药以及其有效成分纯卡马西平中）在0.2-2.6THz范围的吸收光溥怠义：1、不同类型药物的鉴定2、同类药物不同厂家的鉴定-4的还哥铁进存定番钟算厂家：上海复旦复华制药厂和上海三维制药厂too109n:2.不同厂家卡•巧西平药及其有效成分的太赫兹光谱比较有效成分含量约：59%五。THz技术在防上的重要作用。•THz雷达可成为未来商精度雷达的发厲方向：由于THz波it通常微波的娥率更黨7在达程牢亊目标探测、显示前方烟雾中的坦免、达炬商成像、多光讲成像等方面有重要的应用,能够探测比微波®达更小的目标和实现更精确的定位，具有更商的分辨率和更規的保密性。春THz技术在反隐身方而有特殊的功能：目前各种軍事目标、武器的随身主要是针对微波、毫米波波段的而在尚未充分开发利用的THz波段中几乎术涉及。所以丁Hz雷达有发探測到目前各种军事目标和武器，将成为反隨身的覃事武器。__THz雷达'SeveredTH:(Udiition[kflcciinicMirrofi*(***DeiectofScTurce7ILaserEnciiab邮BwnIas＜『DcUctiOfiBwi]痛分辨率，小尺寸R.A.ChevilleandD.GrischkowskyAppLPhys.Lett.67,1960(1995)六.THz技术在军事通信上有独特的优势当前的超览带技术快数甘至上千俺；与可見光和红外线相比，它同时