【《太赫兹概述报告》2300字】

附录太赫兹概述报告太赫兹（TeraHertz，THz）波是指频率在0.1～10THz(波长为3000～30μm)范围内的电磁波，在短波段与红外光相重合，在长波段与毫米波相重合。在整个电磁波谱中处于非常特殊的一个位置（图1-1）。从波长上看，太赫兹处于毫米波和红外波之间，还有重合；从频率上看，它介于无线电波和可见光波之间；从能量上看，则介于电子和光子之间。太赫兹波技术在遥感、雷达、物质结构检测、数据传输与通讯、国土安全与反恐等领域都具有深远的研究价值以及广泛的应用前景。图1-1太赫兹在电磁波谱中的位置上世纪70至80年代，由于太赫兹波频段的研究既不完全适用光学理论，而且也不能完全适用微波理论，同时缺乏相应的发射源和探测技术，因此被称为“太赫兹空隙”[1]。直到20世纪90年代，随着光学太赫兹技术在高频段太赫兹波研究中取得的巨大进步，以及微波技术向低频段太赫兹波研究中的延伸，太赫兹源与检测技术取得了突破性的进展。以此为基础，太赫兹技术的应用研究迅速扩展到多个领域[2]，其中包括物理学、药剂学、材料科学、生物医学、航空航天、环境科学、国家安全和工业无损检测等[3]。THz研究对国民经济和国家安全有重大的应用价值。由于太赫兹在电磁波谱中有着特殊的位置，因此，它有一系列的优越特性，而这种特性使其具有很好的应用前景。其特性主要如下：安全性：相对于X射线的光子能量，太赫兹辐射的能量只有毫电子伏的数量级，其光子能量是X射线光子能量的107～108分之一。同时，它的能量也低于各种化学键的键能，因此它不会对生物组织产生有害的电离反应。这点对生物样品的检查和对旅客身体的安全检查等应用至关重要。光谱分辨特性：物质的太赫兹光谱(发射、反射和透射光谱)包含丰富的物理和化学信息，使得它们具有类似指纹一样的唯一特点。许多有机分子、生物大分子的振动和旋转频率都在太赫兹波段，且不同的有机分子具有不同的折射率和吸收率，从而呈现出不同的光谱特征。因此，可以利用太赫兹波吸收特征结合物理和化学计算方法来分析相应的物质成分、识别分子结构等等[4]。穿透性：太赫兹兼具类似光波的方向性和微波的穿透能力，因此，太赫兹对许多介电材料和非极性物质（如陶瓷、布袋、塑料、皮革、木箱、纸箱等）具有良好的穿透性，这意味着太赫兹波可对不透明物体进行透视成像，分辨这些物体的形状、组成信息等，这是对X射线成像和超声波成像技术的有效互补，可用于安检或质检过程中的无损检测。另外，太赫兹在沙尘、浓烟环境中传输损耗很少，是沙漠救援、火灾救护、战场寻敌等复杂环境中成像的理想光源。高时间和空间相干性：太赫兹辐射是由相干电流驱动的偶极子振荡产生，或是由相干的激光脉冲通过非线性光学差频效应产生。不仅具备探测微弱信号的能力[5]，且对探测目标的强度信息和相位信息有好的滤波特性和高增益，因此具有很高的时间相干性和空间相干性。宽带性：太赫玆脉冲一般只包含几个周期的电磁振荡，而且单个脉冲的频带可以从吉赫兹（GHz）跨越至几十THz的范围，太赫兹源的这种特殊性质有助于在较大的范围里分析物质的光谱性质[6]。太赫兹技术的研究主要集中在太赫兹辐射、太赫兹探测、太赫兹成像和太赫兹通信等方面。其中，高效的太赫兹辐射源和探测技术是推动太赫兹技术走向应用的关键。目前，THz源发射器主要有太赫兹波参量振荡器、差频发生器、其他太赫兹源发生器。探索能够实现室温条件下、高输出功率、连续可调谐以及小型化的辐射源将大大促进太赫兹技术的发展和研究，这也是当前太赫兹领域的一个重要发展目标。太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。而且，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。太赫兹的应用主要有时域光谱技术、太赫兹通讯技术、太赫兹成像技术等。太赫兹时域光谱技术，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。太赫兹通信技术建立在传统无线通信的基础之上，由于太赫兹通信系统具有带宽大、传输速率高、保密性好等特点，随着现代社会对无线通信速率的要求不断提高，利用太赫兹波作为载波进行无线通信成为现代通信技术发展的必然。太赫兹通信的应用场景包括短距离高速无线通信、空间通信和复杂军事环境条件下的保密通信等。图1-2太赫兹通信技术应用构想图：太赫兹链路应用于基站间和设备间的数据传输目前太赫兹通信还处在关键器件的研究开发、太赫兹通信系统整体结构方案的可行性论证以及实验室的研究与仿真演示阶段，亟需研制高性能的太赫兹固态器件，解决太赫兹信号的调制和信号处理技术，并制定相应的技术标准。因此，太赫兹通信技术可以实现更高速率的信息传输，抢占带宽资源，这不仅具有很高的经济价值，还具有非常高的战略意义。太赫兹成像技术，根据成像机理，太赫兹成像分为被动式成像和主动式成像：被动式成像是通过太赫兹探测器对被测物体自身的辐射能量进行探测,利用不同物质辐射强度的差异来实现成像和辨别。被动式成像是一种相对安全的成像方式，但是成像系统对信号本身的强度以及接收机的灵敏度要求较高。太赫兹主动式成像主要是通过太赫兹辐射源发射一定强度的