太赫兹波的应用

张存林  赵国忠

 

首都师范大学物理系，北京100037

 
    太赫兹（THz）波是介于微波和红外之间的一种相干电磁辐射，是人类目前尚未完全开发的电磁波谱“空隙区”。由于其频率范围处于电子学和光子学的交叉区域，太赫兹波的理论研究处在经典理论和量子跃迁理论的过渡区，其性质表现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性，从而具有许多方面不同的应用。主要应用在光谱、成像和通信领域。
 
    太赫兹波的特殊性质及其有关的应用表现在：
   （1）对衣物、塑料、陶瓷、硅片、纸张和干木材等一系列物质，具有较好的穿透性能，从而可以探测X射线、可见光和红外不可探测的材料内部缺陷和隐藏物；
   （2）利用适当的小孔或针尖，可以达到较高的空间分辨率，获得微波成像难以得到的高分辨清晰图像；
   （3）太赫兹波的光子能量很低，穿过物质时不易发生电离，所以可以进行安全的无损检测；
   （4）由于对水分的吸收很敏感，探测含有水分的物质（例如树叶、生物组织等）时，可以表征水分的含量和分布，从而可以用于生物医学成像和光检测；
   （5）不同物质在太赫兹波谱区域，具有不同的吸收和色散性质，很多凝聚态物质和生物大分子的振动和转动能级落在太赫兹波段，可以通过太赫兹光谱测量获得其特征光谱，用于区分材料的结构和种类等；
   （6）太赫兹频谱范围介于微波和红外之间，是电子学与光子学研究的交叉领域，其瞬态性和相干性提供了进行时间分辨光谱测量的条件，从而可以通过电光取样获得时间分辨的电场变化信息，同时得到其电场振幅和相位的测量，这为太赫兹时域光谱学提供了基础。
 
    太赫兹波可能的应用还包括：
   （1）在国土安全检测方面的应用，例如毒品、爆炸物、化学／生物危险品和武器等的非接触安全检测、邮件隐藏物的非接触监测等，从而受到了反恐、保安和海关检查等方面的重视；
   （2）国防和太赫兹雷达，如远程监视、探测武器以及在战场上用于显示前方灰尘或烟雾中的坦克等，远距离成像、多光谱成像(甚至高光谱和超光谱成像)以及三维立体成像是非常重要的研究方向；
 （3）无损检测，特别是对于一些塑料泡沫等绝热材料内部的缺陷和裂痕等，进行无损检测和成像，在航空、航天结构材料的检测与评估方面，具有重要的应用价值。另外，对药物生产质量的控制等，太赫兹检测显示出明显的优越性；
   （4）太赫兹在生物医学方面的应用，氨基酸和蛋白质等生物大分子的无标志识别，已经引起了太赫兹领域专家的高度重视；太赫兹医学成像和层析成像，有望在生物和医学诊断与检测中得到广泛的应用，特别是太赫兹检测用于皮肤病和乳腺癌方面，国际上已经取得了一定的进展；
   （5）太赫兹在通信方面的应用，一直受到有关方面的高度重视，例如卫星间星际通信、短程大气通信、短程地面无线局域网等，国际上有关项目正在开展研究和应用(如欧盟合作项目WANTED等)。此外，发展太赫兹通信理论也成为这一领域的热门课题；
   （6）太赫兹在半导体物理、材料和器件研究中应用，一直是太赫兹科学与技术领域研究和应用的重点内容。太赫兹量子级联激光器（THz—QCL）、半导体的太赫兹发射光谱研究、太赫兹超快光电子学研究以及太赫兹在半导体能带结构和输运性质研究方面的应用等，受到了国内外有关专家的高度重视。特别是太赫兹量子级联激光器，有望成为实用、高效、小型化的太赫兹光源，成为一个迅速发展的研究领域；
   （7）太赫兹波的传播及其与物质相互作用的机理研究，对于太赫兹科学的发展和技术进步，具有举足轻重的作用，也成为物理学和相关学科研究的热门课题之一。太赫兹电磁辐射产生与探测新方法及机理研究、太赫兹传输过程中新物理现象的研究、太赫兹波段光子晶体的研究、太赫兹波在自由空间及波导中的传输，特别是太赫兹波与物质相互作用的机理研究，在太赫兹科学技术领域占据着相当重要的地位；
   （8）太赫兹在天文观测方面也得到了有效的应用，例如南极天文望远镜装有OPTL激光器作为太赫兹接收器的本地振荡器，用以测量N₂⁺，H₂D⁺和CO；  美国NASA的Aura卫星上载有一个2.4 THz的激光器，用以测量同温层内OH^—的浓度和分布等。宇宙背景辐射中的太赫兹光谱分析，星系、星系际大气分子特征谱，行星和小星体的大气动力学等，也是天文学研究的热门课题。
 
    目前，世界各国争相发展自己的太赫兹技术。太赫兹科学和技术领域的新理论、新现象、新方法和新的应用层出不群，难以尽数。本文结合我们实验室开展的一些工作，就国内外太赫兹波应用方面的研究概况和发展趋势，以及我们所了解的、可能的太赫兹波应用领域，作一简要的介绍，供大家参考。