一、太赫茲成像技術(shù)概念及原理解析

太赫茲技術(shù)簡(jiǎn)介

太赫茲（Terahertz，1THz=1012Hz）泛指頻率在0.1～10THz波段內(nèi)的電磁波，位于紅外和微波之間，處于宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)的過渡階段。太赫茲輻射是0.1~10THz的電磁輻射，從頻率上看，在無線電波和光波，毫米波和紅外線之間；從能量上看，在電子和光子之間·在電磁頻譜上，太赫茲波段兩側(cè)的紅外和微波技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但是太赫茲技術(shù)基本上還是一個(gè)空白，其原因是在此頻段上，既不完全適合用光學(xué)理論來處理，也不完全適合微波的理論來研究。

太赫茲系統(tǒng)在半導(dǎo)體材料、高溫超導(dǎo)材料的性質(zhì)研究、斷層成像技術(shù)、無標(biāo)記的基因檢查、細(xì)胞水平的成像、化學(xué)和生物的檢查，以及寬帶通信、微波定向等許多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。研究該頻段的輻射源不僅將推動(dòng)理論研究工作的重大發(fā)展，而且對(duì)固態(tài)電子學(xué)和電路技術(shù)也將提出重大挑戰(zhàn)。

遠(yuǎn)距離穿墻術(shù)，鑄就反恐作戰(zhàn)新利器。

如果問一下駐伊美軍最怕的是什么，那答案肯定是路邊炸彈，防不勝防的路邊炸彈，成了駐伊美軍不寒而栗的“頭號(hào)殺手”，以至于讓美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)司令邁克爾·哈吉認(rèn)為：“這種相對(duì)低級(jí)的武器將成為未來戰(zhàn)爭(zhēng)的一個(gè)標(biāo)志?！痹诿儡姵冯x伊拉克之前路邊炸彈造成的傷亡一度不絕于耳。與此同時(shí)，不斷發(fā)生的細(xì)菌郵件、包裹炸彈和自殺式襲擊也令人神經(jīng)緊繃。似乎在傳統(tǒng)威脅面前，高新技術(shù)也無能為力，事實(shí)真是如此嗎？太赫茲的穿墻透視能力或許能夠扭轉(zhuǎn)這種被動(dòng)局面。

太赫茲的頻率很高、波長(zhǎng)很短，具有很高的時(shí)域頻譜信噪比，且在濃煙、沙塵環(huán)境中傳輸損耗很少，可以穿透墻體對(duì)房屋內(nèi)部進(jìn)行掃描，是復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下尋敵成像的理想技術(shù)。未來城市及反恐作戰(zhàn)中，借助太赫茲特有的“穿墻術(shù)”，可以對(duì)“墻后”物體進(jìn)行三維立體成像，探測(cè)隱蔽的武器、偽裝埋伏的武裝人員和顯示沙塵或煙霧中的坦克、火炮等裝備，進(jìn)而撥開戰(zhàn)場(chǎng)迷霧。

另外，太赫茲成像技術(shù)在塑料兇器、陶瓷手槍、塑膠炸彈、流體炸藥和人體炸彈的檢測(cè)和識(shí)別上，更是“明察秋毫”，利用強(qiáng)太赫茲輻射照射路面，還可以遠(yuǎn)距離探測(cè)地下的雷場(chǎng)分布。如此，士兵們不需要再靠近可疑地段或人員便可以對(duì)其進(jìn)行檢查。與耗資較高、作用距離較短、無法識(shí)別具體爆炸物的X射線掃描儀相比，太赫茲成像具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)初步應(yīng)用于檢查郵件、識(shí)別炸藥及無損探傷等安全領(lǐng)域。

二、太赫茲波特征及應(yīng)用

1、太赫茲波特征

太赫茲技術(shù)之所以成為科學(xué)前沿關(guān)注的對(duì)象，是因?yàn)樘掌澨幱陔姶挪ǘ沃械奶厥馕恢?，與其它波段的電磁波相比具有許多獨(dú)特的性能。

1.1、與短波長(zhǎng)的電磁波相比：

（1）THz波的典型脈寬在亞皮秒量級(jí)，可以進(jìn)行亞皮秒、飛秒時(shí)間分辨的瞬態(tài)光譜研究，通過取樣測(cè)量技術(shù)，能夠防止背景輻射噪音的干擾。目前太赫茲輻射強(qiáng)度能夠得到的探測(cè)效果，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傅立葉變換紅外光譜的探測(cè)技術(shù)，并且太赫茲技術(shù)穩(wěn)定性也很高。

（2）太赫茲波源通常包含若干個(gè)周期的電磁振蕩，頻帶覆蓋范圍很寬。單個(gè)脈沖的頻帶可以達(dá)到GHz到幾十THz的范圍，可以在大范圍內(nèi)分析研究物質(zhì)的光譜特性。

（3）太赫茲輻射的產(chǎn)生機(jī)制決定了THz波具有很高的時(shí)間和空間相干性。而運(yùn)用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)可以直接測(cè)量出太赫茲電場(chǎng)的振幅和相位，更為方便地提取測(cè)量樣品的相關(guān)物理信息。

（4）太赫茲波段中正好對(duì)應(yīng)許多特定材料的能隙，他們的太赫茲光譜會(huì)存在明顯的特征吸收。比如許多有機(jī)大分子、違禁易爆品等對(duì)THz波呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收和色散特性；利用THz波特有的光譜特征可做指紋識(shí)別。所以生物探測(cè)、危險(xiǎn)爆炸物品檢測(cè)將成為太赫茲技術(shù)重要發(fā)展前景之一。

（5）THz波的光子能量很低，約為x射線光子能量的1/10，更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于各種化學(xué)健的鍵能，因此它對(duì)活體生物組織不會(huì)造成電離損傷。可以應(yīng)用THz技術(shù)研究酶的特性、進(jìn)行DNA鑒別等。另外由于水分子、氨分子等大多數(shù)極性分子對(duì)太赫茲波有非常強(qiáng)烈的吸收，所以太赫茲波不能穿透人體的皮膚，因此即使很強(qiáng)烈的太赫茲輻射，它對(duì)人體的影響也僅僅停留在皮膚表層，而不像微波那樣直接穿透到人體的內(nèi)部。這一點(diǎn)可以應(yīng)用在對(duì)旅客身體以及生物樣品的探測(cè)檢查，可做為X射線成像檢測(cè)手段的有益補(bǔ)充。

（6）THz輻射對(duì)于很多非極性物質(zhì)，如電介質(zhì)材料及塑料、陶瓷、紙箱、布料、硅片、干木材等材料有很強(qiáng)的穿透能力，可用來對(duì)已經(jīng)包裝的物品進(jìn)行質(zhì)檢或者用于今后的安全檢查。THz波的這些特殊性使發(fā)展THz技術(shù)具有了重要的意義。

1.2、與長(zhǎng)波長(zhǎng)的電磁波相比：

（1）與微波相比，THz波的頻率則更高，相同條件下通信傳輸?shù)娜萘靠梢愿?，因此在作為通信載體時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)THz波可以承載更多的信息量，同時(shí)由于太赫茲波的波長(zhǎng)更短，實(shí)施同樣的傳輸功能的情況下，可以把天線的尺寸做得更小，那么相應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)備也可以做得更簡(jiǎn)單、更經(jīng)濟(jì)，從而節(jié)省成本。

（2）由于THz波波長(zhǎng)更短、波束更窄，它的方向性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于微波，成像應(yīng)用中則具有更高的空間分辨率，或者在保持同等空間分辨率時(shí)能夠具有更長(zhǎng)的景深。這一點(diǎn)可以用來探測(cè)更小的目標(biāo)，在天文及軍事領(lǐng)域可用于更精確地定位。

（3）與微波相比，THz波具有更好的保密性和抗干擾能力。綜上這些優(yōu)勢(shì)，THz在中短距離、高容量、無線通信技術(shù)中具有很強(qiáng)應(yīng)用潛力。

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2、太赫茲波應(yīng)用

這些獨(dú)特的性質(zhì)賦予了THz波廣泛的應(yīng)用前景，使它在在基礎(chǔ)研究、天體物理學(xué)、等離子體物理與工程、材料科學(xué)與工程、生物醫(yī)學(xué)工程、環(huán)境科學(xué)工程、光譜與成像技術(shù)，乃至現(xiàn)代通信技術(shù)等領(lǐng)域都展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。目前，國(guó)內(nèi)外眾多科研機(jī)構(gòu)相繼開展了THz技術(shù)的研究，在工業(yè)領(lǐng)域，已有數(shù)百公司參與或資助了太赫茲的研究工作，他們則是瞄準(zhǔn)了太赫茲有“無損傷探測(cè)”的商業(yè)利用價(jià)值。國(guó)內(nèi)外眾多機(jī)構(gòu)在THz技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的研究己取得了許多有價(jià)值的成果。

太赫茲成像技術(shù)和太赫茲波譜技術(shù)由此構(gòu)成了太赫茲應(yīng)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(duì)物質(zhì)產(chǎn)生破壞作用，所以與X射線相比更具有優(yōu)勢(shì)。

THz時(shí)域光譜技術(shù)

目前已經(jīng)開始商業(yè)化運(yùn)作，世界范圍內(nèi)已經(jīng)有多家企業(yè)開始生產(chǎn)商用THz時(shí)域光譜儀，主要是中國(guó)，美國(guó)，歐洲和日本的廠家。THz時(shí)域光譜技術(shù)的基本原理是利用飛秒脈沖產(chǎn)生并探測(cè)時(shí)間分辨的THz電場(chǎng)，通過傅立葉變換獲得被測(cè)物品的光譜信息，由于大分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)大多在THz波段，而大分子，特別是生物和化學(xué)大分子是具有本身物性的物質(zhì)集團(tuán)，進(jìn)而可以通過特征頻率對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物性進(jìn)行分析和鑒定。一個(gè)比較重要的應(yīng)用可以作為藥品質(zhì)量監(jiān)管。設(shè)想一下制藥廠的流水線上安裝一臺(tái)THz時(shí)域光譜儀，從藥廠出廠的每一片藥都進(jìn)行光譜測(cè)量，并與標(biāo)準(zhǔn)的藥物進(jìn)行光譜對(duì)比，合格的將進(jìn)入下一個(gè)環(huán)節(jié)，否則在流水線上將劣質(zhì)藥片清除掉，避免不同藥片或不同批次藥片的品質(zhì)差異，保證藥品的品質(zhì)。

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射線照射被測(cè)物，通過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(xù)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(duì)物質(zhì)集團(tuán)進(jìn)行功能成像，獲得物質(zhì)內(nèi)部的折射率分布。例如葵花籽可以和容易獲得葵花子的內(nèi)部信息。圖3-4給出了葵花籽樣品的實(shí)物照片和相應(yīng)方法重構(gòu)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(qū)分開，同時(shí)不必照射x射線，對(duì)人體沒有附加傷害。

安全檢查

利用安全檢查應(yīng)該說是現(xiàn)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(xù)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)注的問題，所以單列出來。目前英國(guó)發(fā)展的THz安檢設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入試用階段。由于THz射線的穿透性和對(duì)金屬材料的強(qiáng)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(nèi)的刀具、槍械等物品。同時(shí)如果結(jié)合THz的物質(zhì)鑒別特性，能夠區(qū)分你身上是否攜帶炸藥或毒品。首都師范大學(xué)THz實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)建立了常見的炸藥和毒品的數(shù)據(jù)譜庫(kù)，可以設(shè)想再過幾年，可以真正在機(jī)場(chǎng)見到真正的THz安檢的設(shè)備。另外，世界范圍內(nèi)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(shè)備進(jìn)行防范。因?yàn)檎緧彽目梢圆辉偈鞘勘虮０踩藛T，而是THz安檢儀，人們不需要靠近可疑分子就可以對(duì)其進(jìn)行檢查。

THz雷達(dá)

實(shí)際上也是成像的一種。鑒于大氣中水分對(duì)THz射線的強(qiáng)吸收作用，所以近距離雷達(dá)是THz射線的優(yōu)勢(shì)所在。一個(gè)非常讓人向往的應(yīng)用是穿墻雷達(dá)和探雷雷達(dá)，當(dāng)然也可以用于抗震救災(zāi)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(duì)THz透過，而人體包含大量水分，不透過THz，因此可以透過墻壁偵查到屋內(nèi)的人員的分布和活動(dòng)，將反恐怖反綁架起到深遠(yuǎn)的影響，同理也可以用于廢墟下人體的尋找。而探雷雷達(dá)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THz射線，而地雷將會(huì)把THz射線反射回來，從而可以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。

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(cè)。而這些物質(zhì)在應(yīng)用THz技術(shù)以前一部分根本無法探測(cè)而另一部分只能在海拔很高或者月球表面才可以探測(cè)到。

通信技術(shù)

THz用于通信可以獲得10GB/s的無線傳輸速度，特別是衛(wèi)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(dāng)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(wèi)星通信。雖然由于缺乏高效的THz發(fā)射天線和源，使其還無法在通信領(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(guó)研究人員利用超級(jí)計(jì)算機(jī)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，利用強(qiáng)烈的太赫茲輻射，可實(shí)現(xiàn)在不到萬億分之一秒內(nèi)瞬間將微量水燒開。

太赫茲輻射是指頻率從0．1太赫茲到10太赫茲，波長(zhǎng)介于毫米波與紅外線之間的電磁輻射區(qū)域。一太赫茲等于一千億赫茲。

德國(guó)電子同步加速器研究所報(bào)告說，強(qiáng)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（一皮秒為一萬億分之一秒）內(nèi)加熱至600攝氏度。

報(bào)告指出，一納升水雖然聽起來不多，但對(duì)很多實(shí)驗(yàn)來講已經(jīng)足夠。一皮秒比一眨眼的時(shí)間還要快很多，因此這種燒開水的方法可稱得上是迄今最快的。

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)與生物過程中扮演重要角色，新發(fā)現(xiàn)或可為化學(xué)與生物領(lǐng)域提供更多實(shí)驗(yàn)可能。

生物醫(yī)學(xué)

中國(guó)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(duì)醫(yī)學(xué)的促進(jìn)作用尤其突出。從1901年X線獲得第一屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)開始，已有5項(xiàng)與生物醫(yī)學(xué)相關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)授予了X光譜技術(shù)領(lǐng)域。

太赫茲技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用，生物大分子相互作用是重大生命現(xiàn)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(gòu)象的能級(jí)范圍。該頻段包含了其他電磁波段無法探測(cè)到的直接代表生物大分子功能的空間構(gòu)象等重要信息。因此，可以發(fā)展一種利用太赫茲探測(cè)和干預(yù)生物大分子相互作用過程的新理論和新技術(shù)，為當(dāng)前重大疾病診斷、有效干預(yù)提供先進(jìn)的技術(shù)手段。

中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所李澤仁研究員也表示，目前通過國(guó)家對(duì)太赫茲源、探測(cè)器及成像系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)與儀器設(shè)備的大力支持，我國(guó)已基本具備開展太赫茲生物醫(yī)學(xué)研究的基礎(chǔ)。

其他

此外，太赫茲在半導(dǎo)體材料、高溫超導(dǎo)材料的性質(zhì)研究等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)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(duì)固態(tài)電子學(xué)和電路技術(shù)也將提出重大挑戰(zhàn)。

目前，籠統(tǒng)的說THz技術(shù)的研究主要圍繞三大部分內(nèi)容展開，THz產(chǎn)生源、THz探測(cè)和應(yīng)用研究。目前最大的困難還是沒有高功率便攜式連續(xù)可調(diào)的成本較低的THz發(fā)射源和滿足現(xiàn)實(shí)要求的濾光片，另外也沒有能夠常溫下直接探測(cè)太赫茲射線的被動(dòng)式探測(cè)器。