太赫兹波物质特性的研究进展

太赫兹波物质特性的研究进展

太兹辐射的研究泰兹技术是一项高科技技术，于20世纪80年代末开发，近年来引起了人们的关注。它在基础研究、工业应用、生物医学、军事等领域具有相当重要的应用前景。太赫兹辐射在19世纪已经为人们所认识,但是,由于没有稳定的辐射源和探测器,对于太赫兹谱段的物质特性一直是科学界的“真空地带”。美国贝尔实验室的奥斯顿等人在研究超快半导体现象时,发现了砷化镓光电导探测效应,1982年有关结果在美国权威杂志《科学》上发表,引发了科学界的广泛关注,成为20世纪末的热门课题。我国科学家王大珩、周立伟、张存林等敏锐地捕捉了这些动向,在展望21世纪的科学技术时,提出21世纪将是一个“太”世纪:数据信息存储以T为计量单位,信息转送以T为速度单位,光学检测也进入太赫兹(THz)技术时代。1tx波的特性THz辐射(T射线)通常指的是频率在0.1THz~10THz(波长在30μm~3mm)范围内的电磁波,其长波段方向与毫米波(亚毫米波)相重合,短波段方向与红外线相重合,属于远红外波段,如图1所示。由于THz波所处的特殊电磁波谱的位置,它有很多优越的特性,从而具有重大科学意义。主要表现为以下几个方面:1)量子能量和黑体温度很低。由于太赫兹波的光子能量很低,它穿透物质时,不易发生电离,因而可用来进行安全的无损检测。2)许多物质大分子,如生物大分子的振动和旋转频率都在THz波段,所以在THz波段表现出很强的吸收和谐振。许多爆炸物有“太赫兹指纹”特性,这使得它们能够从衣服中及与其它材料混在一起时被鉴别出来,如毒品的检测等。穿透能力强,THz波能以很小的衰减穿透如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等物质。因此,可用其探测多种低浓度极化气体,适用于环境保护和军事化学侦察等特殊领域。3)THz波的时域频谱信噪比很高,这使得THz非常适用于成像应用。目前,辐射强度测量的信噪比可以大于1010,远远高于傅立叶变换红外光谱技术,而且其稳定性更好。带宽很宽(0.1~10THz),太赫兹脉冲源通常只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。太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒量级,可以方便地对各种材料(包括液体、半导体、超导体、生物样品等)进行时间分辨的研究。THz用于等离子体检测,利用THz辐射可以探测出高温、高密度等离子体中密度的空间分布。4)THz在皮肤癌的诊断和治疗、DNA探测、THz医学应用、THz断层成像、THz生物化学应用以及药物的分析和检测等方面都显示了其强大的功能和成效。尤其利用THz可以非接触探测人类心跳等生命体征。T射线对人体的辐射量只是X射线的100万分之一,反复照射也无伤害。可以预见,它的这种“绿色透视力”将会更广泛地应用于安全领域和医学成像领域。2太赫时域福利叶光谱系统的组成太赫兹系统是基于相干探测技术的太赫兹产生与探测系统,能够同时获得太赫兹脉冲的振幅信息和相位信息,通过对时间波形进行傅立叶变换,能直接得到样品的吸收系数和折射率、透射率等光学参数。太赫兹系统可分为透射式、反射式、差分式、椭偏式等,其中最常见的为透射式和反射式。典型的太赫兹时域福利叶光谱系统如图2所示,它主要由飞秒激光器、太赫兹辐射产生装置及相应的探测装置,以及时间延迟控制系统、数据采集与信号处理系统组成。在太赫兹系统中最常用的光源是钛宝石锁模飞秒激光器,它能产生波长在800nm左右的飞秒激光脉冲。飞秒激光脉冲经过分束镜后被分为泵浦脉冲和探测脉冲,前者经过时间延迟系统后入射到太赫兹辐射产生装置上产生太赫兹脉冲,后者和太赫兹脉冲一同共线入射到太赫兹探测装置上,并以此来驱动太赫兹探测装置进行测量。通过控制时间延迟系统来调节泵浦脉冲和探测脉冲之间的时间延迟,最终可以探测出太赫兹脉冲的整个时域波形。通过傅立叶变换就可以得到被测样品的频域谱,从而获得样品的吸收系数和折射率、透射率等光学参数。比较而言,成像系统还相对简单一些,只是要加上空间的扫描装置。目前国际上实用化的太赫兹产品主要有以下几种:1高隐蔽性的材料英国Rutherford国家实验室(RAL)及欧洲航天局(ESA)建立的ThruVision的公司,开发出一种主动式THz成像仪-T5000安全摄影系统,它可实时成像,可以“看到”25m以内隐藏在衣服底下炸药,液体,毒品,武器,塑料制品和陶瓷等特殊物质,如图3所示。图4中(1)是隐藏在衣服里的毒品,(2)是THz辐射与探测装置,(3)是成像探测的结果。其技术原理由英国天文学家及斯坦福大学卢瑟福实验室研究死亡恒星所发散的宇宙射线而来,T5000收集和处理这些自然产生的T射线特征,然后形成图像,可以发现物体隐藏在一个人的衣服下边,而又不显示身体的细节,从而也避免了对个人隐私的侵害。由于是采用长波辐射采集,与传统的主动X光安全检查相比,对人体几乎没有有害健康的辐射伤害。据说,该安检系统2010年起将在国际上3000多个大机场部署。2外福利叶光谱英国剑桥大学孵化出的TeraViewLtd.高科技公司推出两套THz远红外福利叶光谱仪IPISpectra1000和2000,主要用于物质的THz特征研究。主要指标是:光谱范围:40GHz~3THz,1.3cm-1~100cm-1(Spectra2000)分辨率:3GHz(0.1cm-1)3太赫特征谱分析美国Goodrich公司为美军制造了一种高分辨率太赫兹扫描仪,它能利用气体、液体、固体的太赫兹特征谱来区别有害物质。这一系统由Goodrich公司在美国康涅狄格州的电子光学商务部所开发,TeraView公司为其提供专门的连续太赫兹辐射源。Goodrich的系统采用高分辨率的光谱仪来探测化学战剂和有毒的工业化学品。3太赫科研实验研究成果在美国包括常青藤大学在内有数十所大学都在从事THz的研究工作,特别是美国的一些重要的实验室,如贝尔实验室、LLNL(LawrenceLivermore国家实验室)、LBNL(LawrenceBerkeley国家实验室)、SLAC(斯坦福直线加速器中心)、JPL(喷气推进实验室)、BNL(Brookhaven国家实验室)、NRL(海军研究实验室)、ALS(高级光源国家实验室)、ORNL(橡树岭国家实验室)等都在开展THz科学技术的研究工作。美国国家基金会(NSF)、国家航天局(NASA)、能源部(DOE)和国立卫生研究院(NIH)等从20世纪90年代中期开始对THz科技研究进行了大规模的投入。英国的Rutherford国家实验室以及剑桥大学、里兹大学、Strathclyde大学等十几所大学;德国的KFZ、BESSY、Karlsruhe大学、Cohn大学、Hamburg大学等科研院所和高校,都在积极开展THz研究工作。欧洲国家还利用欧盟的资金组织了跨国家的多学科参加的大型合作研究项目。在俄国,国家科学院专门设立了一个THz研究计划,IAP、IGP及一些大学也都在积极开展THz研究工作。在亚洲,日本政府于2005年1月8日,公布了日本未来10年科技战略规划,提出了10项重大关键技术,将THz技术列为首位。东京大学、京都大学、大阪大学、东北大学、福井大学以及SLLSC、NTTAdvancedTechnologyCorporation等公司也都大力开展了THz的研究与开发工作。此外,韩国的国立首尔大学、浦项科技大学以及新加坡的国立新加坡大学等也都在积极开展THz方面的研究。可见,在全世界范围内目前已经形成了一个THz技术研究高潮。在国内,太赫兹研究也已受到了极大的重视。中国科学院的北京物理所和上海微系统与信息技术研究所、上海应用物理研究所、中山大学、首都师范大学物理系等研究机构在太赫兹相关领域开展了工作,并初步建成了太赫兹实验装置。不少博士和硕士研究生都以THz有关的课题作为前沿的研究选题方向[24,25,26,27,28,29,30,31]。我国台湾省的台湾大学、台湾清华大学等也积极开展了THz研究工作,并发表了不少有分量的论文。4太赫探测系统的应用展望太赫兹技术在环境监测、保护方面、国家安全和反恐等方面的应用优势能够弥补红外技术和微波技术的不足。另外太赫兹波处于微波毫米波与红外波段之间,电子学与光子学之间的空白区域,也是目前人类科技的空白区域,具有非常广阔的发展空间。因此,积极开展THz科学技术的研究工作具有重要的战略意义。由于太赫兹波可以穿透大部分非金属材料,可望带来很多工业无损检测和安全领域的应用前景,引起了人们广泛的关注。如对美国航天飞机绝热泡沫下的安全隐患的检测,将带来巨大的效益;地震等自然灾害后的生命探测、公共场所的爆炸物探测和煤矿瓦斯突出检测等等应用,将解决当前社会急需的工程技术问题,具有重大的社会效益。经过近20多年来的研究,国际科技界公认,THz科学技术是一个非常重要的交叉前沿领域。由于THz具有很高的空间分辨率和时间分辨率,使得它在成像技术及波谱技术方面具有独特的优势;另一方面,THz的能量很小,不会对物质产生破坏作用,所以与X射线相比,它又有很大的优势。因此,THz科学技术很可能是新一代IT产业的基础之一。THz研究之所以成为热点,也是因为THz的能量太小,其信息特征非常微弱。技术手段缺乏限制了理论研究的进展,研究上的空白点很多。首先由于THz的辐射源不稳定,没有标准的辐射源;因此,THz研究定性多,定量难。其二,除砷化镓外,人们也发现了其他半导体的THz光电效应,但是都很难进行灵敏度定标。其三,尚未形成完整的各种物质THz谱图,每种新物质的THz谱测试结果都是前沿研究的贡献。现在,人们已知水份对于大部分的THz波段有很强的吸收,因此,水对THz波有屏蔽作用;但是对于其他光学材料的THz波特性知之甚少,太赫兹探测系统的制作也有诸多的探索研究成分。目