張存林  趙國忠

 

首都師范大學物理系，北京100037

 
    太赫茲（THz）波是介于微波和紅外之間的一種相干電磁輻射，是人類目前尚未完全開發的電磁波譜“空隙區”。由于其頻率范圍處于電子學和光子學的交叉區域，太赫茲波的理論研究處在經典理論和量子躍遷理論的過渡區，其性質表現出一系列不同于其他電磁輻射的特殊性，從而具有許多方面不同的應用。主要應用在光譜、成像和通信領域。
 
    太赫茲波的特殊性質及其有關的應用表現在：
   （1）對衣物、塑料、陶瓷、硅片、紙張和干木材等一系列物質，具有較好的穿透性能，從而可以探測X射線、可見光和紅外不可探測的材料內部缺陷和隱藏物；
   （2）利用適當的小孔或針尖，可以達到較高的空間分辨率，獲得微波成像難以得到的高分辨清晰圖像；
   （3）太赫茲波的光子能量很低，穿過物質時不易發生電離，所以可以進行安全的無損檢測；
   （4）由于對水分的吸收很敏感，探測含有水分的物質（例如樹葉、生物組織等）時，可以表征水分的含量和分布，從而可以用于生物醫學成像和光檢測；
   （5）不同物質在太赫茲波譜區域，具有不同的吸收和色散性質，很多凝聚態物質和生物大分子的振動和轉動能級落在太赫茲波段，可以通過太赫茲光譜測量獲得其特征光譜，用于區分材料的結構和種類等；
   （6）太赫茲頻譜范圍介于微波和紅外之間，是電子學與光子學研究的交叉領域，其瞬態性和相干性提供了進行時間分辨光譜測量的條件，從而可以通過電光取樣獲得時間分辨的電場變化信息，同時得到其電場振幅和相位的測量，這為太赫茲時域光譜學提供了基礎。
 
    太赫茲波可能的應用還包括：
   （1）在國土安全檢測方面的應用，例如毒品、爆炸物、化學／生物危險品和武器等的非接觸安全檢測、郵件隱藏物的非接觸監測等，從而受到了反恐、保安和海關檢查等方面的重視；
   （2）國防和太赫茲雷達，如遠程監視、探測武器以及在戰場上用于顯示前方灰塵或煙霧中的坦克等，遠距離成像、多光譜成像(甚至高光譜和超光譜成像)以及三維立體成像是非常重要的研究方向；
 （3）無損檢測，特別是對于一些塑料泡沫等絕熱材料內部的缺陷和裂痕等，進行無損檢測和成像，在航空、航天結構材料的檢測與評估方面，具有重要的應用價值。另外，對藥物生產質量的控制等，太赫茲檢測顯示出明顯的優越性；
   （4）太赫茲在生物醫學方面的應用，氨基酸和蛋白質等生物大分子的無標志識別，已經引起了太赫茲領域專家的高度重視；太赫茲醫學成像和層析成像，有望在生物和醫學診斷與檢測中得到廣泛的應用，特別是太赫茲檢測用于皮膚病和乳腺癌方面，國際上已經取得了一定的進展；
   （5）太赫茲在通信方面的應用，一直受到有關方面的高度重視，例如衛星間星際通信、短程大氣通信、短程地面無線局域網等，國際上有關項目正在開展研究和應用(如歐盟合作項目WANTED等)。此外，發展太赫茲通信理論也成為這一領域的熱門課題；
   （6）太赫茲在半導體物理、材料和器件研究中應用，一直是太赫茲科學與技術領域研究和應用的重點內容。太赫茲量子級聯激光器（THz—QCL）、半導體的太赫茲發射光譜研究、太赫茲超快光電子學研究以及太赫茲在半導體能帶結構和輸運性質研究方面的應用等，受到了國內外有關專家的高度重視。特別是太赫茲量子級聯激光器，有望成為實用、高效、小型化的太赫茲光源，成為一個迅速發展的研究領域；
   （7）太赫茲波的傳播及其與物質相互作用的機理研究，對于太赫茲科學的發展和技術進步，具有舉足輕重的作用，也成為物理學和相關學科研究的熱門課題之一。太赫茲電磁輻射產生與探測新方法及機理研究、太赫茲傳輸過程中新物理現象的研究、太赫茲波段光子晶體的研究、太赫茲波在自由空間及波導中的傳輸，特別是太赫茲波與物質相互作用的機理研究，在太赫茲科學技術領域占據著相當重要的地位；
   （8）太赫茲在天文觀測方面也得到了有效的應用，例如南極天文望遠鏡裝有OPTL激光器作為太赫茲接收器的本地振蕩器，用以測量N₂⁺，H₂D⁺和CO；  美國NASA的Aura衛星上載有一個2.4 THz的激光器，用以測量同溫層內OH^—的濃度和分布等。宇宙背景輻射中的太赫茲光譜分析，星系、星系際大氣分子特征譜，行星和小星體的大氣動力學等，也是天文學研究的熱門課題。
 
    目前，世界各國爭相發展自己的太赫茲技術。太赫茲科學和技術領域的新理論、新現象、新方法和新的應用層出不群，難以盡數。本文結合我們實驗室開展的一些工作，就國內外太赫茲波應用方面的研究概況和發展趨勢，以及我們所了解的、可能的太赫茲波應用領域，作一簡要的介紹，供大家參考。