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太赫茲波動頻率單位是電磁波頻率的單位之一，等于1,000,000,000,000Hz，通常用于表示電磁波頻率。太赫茲波具有很多獨特的優(yōu)點，是一種新的輻射源，太赫茲技術(shù)也是一個非常重要的前沿領(lǐng)域，為技術(shù)創(chuàng)新、國民經(jīng)濟發(fā)展和國家安全提供了非常誘人的前景。太赫茲
波動頻率單位
太赫茲（Tera Hertz，THz）是波動頻率單位之一，又稱為太赫，或太拉赫茲。等于1,000,000,000,000Hz，通常用于表示電磁波頻率。
太赫茲是一種新的、有很多獨特優(yōu)點的輻射源；太赫茲技術(shù)是一個非常重要的交叉前沿領(lǐng)域，給技術(shù)創(chuàng)新、國民經(jīng)濟發(fā)展和國家安全提供了一個非常誘人的機遇可能引發(fā)科學(xué)技術(shù)的革命性發(fā)展。
基本信息
| 中文名 | 太赫茲 |
| 外文名 | terahertz |
| 別名 | THz |
| 實質(zhì) | 頻率單位 |
| 用于表示 | 電磁波頻率 |
定義
太赫茲
太赫茲(THz)波的波段能夠覆蓋半導(dǎo)體、等離子體，有機體和生物大分子等物質(zhì)的特征譜；利用該頻段可以加深和拓展人類對物理學(xué)、化學(xué)、天文學(xué)、信息學(xué)和生命科學(xué)中一些基本科學(xué)問題的認(rèn)識。THz技術(shù)可廣泛應(yīng)用于雷達、遙感、國土安全與反恐、高保密的數(shù)據(jù)通訊與傳輸、大氣與環(huán)境監(jiān)測、實時生物信息提取以及醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域。因此，THz研究對國民經(jīng)濟和國家安全有重大的應(yīng)用價值。
歷史
早期太赫茲在不同的領(lǐng)域有不同的名稱，在光學(xué)領(lǐng)域被稱為遠(yuǎn)紅外，而在電子學(xué)領(lǐng)域，則稱其為亞毫米波、超微波等。在20世紀(jì)80年代中期之前，太赫茲波段兩側(cè)的紅外和微波技術(shù)發(fā)展相對比較成熟，但是人們對太赫茲波段的認(rèn)識仍然非常有限，形成了所謂的“THz Gap”。
2004年，美國政府將THz科技評為“改變未來世界的十大技術(shù)”之一，而日本于2005年1月8日更是將THz技術(shù)列為“國家支柱十大重點戰(zhàn)略目標(biāo)”之首，舉全國之力進行研發(fā)。
我國政府在2005年11月專門召開了“香山科技會議”，邀請國內(nèi)多位在THz研究領(lǐng)域有影響的院士專門討論我國THz事業(yè)的發(fā)展方向，并制定了我國THz技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃。目前國內(nèi)已經(jīng)有多家研究機構(gòu)開展太赫茲領(lǐng)域的相關(guān)研究，其中首都師范大學(xué)，是入手較早，投入較大的一家，并且在毒品和炸藥太赫茲光譜、成像和識別方面，利用太赫茲對非極性航天材料內(nèi)部缺陷進行無損檢測方面做出了許多開拓性的工作，同時由于太赫茲射線在安全檢查方面的獨特優(yōu)勢，首都師范大學(xué)太赫茲實驗室正集中力量研發(fā)能夠用于實景測試的安檢原型設(shè)備。另外，美國、歐洲、亞洲、澳大利亞等許多國家和地區(qū)政府、機構(gòu)、企業(yè)、大學(xué)和研究機構(gòu)紛紛投入到THz的研發(fā)熱潮之中。THz研究領(lǐng)域的開拓者之一，美國著名學(xué)者張希成博士稱：“Nextray, T-Ray！”。
特點
- 量子能量和黑體溫度很低，如表1所示。
- 許多生物大分子的振動和旋轉(zhuǎn)頻率都處于THz波段，所以利用THz波可以獲得豐富的生物及其材料信息。
- THz輻射能以很小的衰減穿透如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等物質(zhì)。
- THz的時域頻譜信噪比很高，使THz非常適用于成像應(yīng)用。
- 瞬時帶寬很寬(0.1～10THz)，利于高速通信，如右圖所示。
應(yīng)用
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)用的兩個主要關(guān)鍵技術(shù)。同時，由于太赫茲能量很小，不會對物質(zhì)產(chǎn)生破壞作用，所以與X射線相比更具有優(yōu)勢。
THz時域光譜技術(shù)
太赫茲
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射線照射被測物，通過物品的透射或反射獲得樣品的信息，進而成像。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時域光譜技術(shù)的特點。同時它可以對物質(zhì)集團進行功能成像，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，同時不必照射x射線，對人體沒有附加傷害。
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。目前英國發(fā)展的THz安檢設(shè)備已經(jīng)進入試用階段。由于THz射線的穿透性和對金屬材料的強反射特性，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實驗室已經(jīng)建立了常見的炸藥和毒品的數(shù)據(jù)譜庫，可以設(shè)想再過幾年，可以真正在機場見到真正的THz安檢的設(shè)備。另外，世界范圍內(nèi)引起社會動蕩的自殺式炸彈恐怖襲擊，也可以利用THz安檢設(shè)備進行防范。因為站崗的可以不再是士兵或保安人員，而是THz安檢儀，人們不需要靠近可疑分子就可以對其進行檢查。
THz雷達
實際上也是成像的一種。鑒于大氣中水分對THz射線的強吸收作用，所以近距離雷達是THz射線的優(yōu)勢所在。一個非常讓人向往的應(yīng)用是穿墻雷達和探雷雷達，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，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頻段進行探測。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而另一部分只能在海拔很高或者月球表面才可以探測到。
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。
生物醫(yī)學(xué)
中國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)對醫(yī)學(xué)的促進作用尤其突出。從1901年X線獲得第一屆諾貝爾物理學(xué)獎開始，已有5項與生物醫(yī)學(xué)相關(guān)的諾貝爾獎授予了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)象的能級范圍。該頻段包含了其他電磁波段無法探測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)提供先進的技術(shù)手段。
中國工程物理研究院流體物理研究所李澤仁研究員也表示，目前通過國家對太赫茲源、探測器及成像系統(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理論研究工作的重大發(fā)展，而且對固態(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)實要求的濾光片，另外也沒有能夠常溫下直接探測太赫茲射線的被動式探測器。
發(fā)展現(xiàn)狀
THz科學(xué)與技術(shù)已經(jīng)被國際科學(xué)界公認(rèn)為是下一代IT產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，吸引各國科學(xué)家目光的同時也吸引了不少國外公司進行THz商業(yè)化產(chǎn)品的開發(fā)。近年來THz科技產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迅猛，包括THz輻射源、THz探測器、THz譜分析系統(tǒng)、THz成像系統(tǒng)等產(chǎn)業(yè)化技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于多個領(lǐng)域，目前世界上已經(jīng)有超過80家的高科技公司研發(fā)銷售THz的相關(guān)產(chǎn)品，它們主要集中在歐洲、美國，其中不乏實力雄厚的大型企業(yè)。THz領(lǐng)域已經(jīng)逐漸成為高新科技產(chǎn)業(yè)技術(shù)的必爭之地。
由美國Univ. of Michigan及Univ. of Stanford孵化出Picometrix公司主要生產(chǎn)THz檢測系統(tǒng)，用THz成像系統(tǒng)檢查宇宙飛船外壁薄板內(nèi)部缺陷，已投入使用；Rensselaer Polytechnic Institute孵化了ZOMEGA公司，主要生產(chǎn)THz譜分析系統(tǒng)、成像系統(tǒng)，其一款產(chǎn)品Mini Z已具備了機載檢測的可能。近年來，一些美國知名企業(yè)也紛紛將目光轉(zhuǎn)向THz產(chǎn)品的生產(chǎn)，包括Coherent公司、VDI公司、Thorlabs公司、ImraAmerica公司、Physical science公司等，其中VDI公司主要生產(chǎn)THz、毫米波固態(tài)振蕩源及小型集成系統(tǒng)，產(chǎn)品頻率最高能達到1.7THz，主要用于衛(wèi)星通信、天文探測、氣象監(jiān)測、遙感成像等領(lǐng)域；IBM公司開發(fā)出硅鍺THz微處理器芯片IBM．GeorgiaTech，室溫下芯片的時鐘頻率可達到0.35THz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)的PC處理器芯片，在低溫環(huán)境下，鍺芯片能夠獲得更高的性能，時鐘頻率可達到0.5THz。
英國建立了ThruVision公司專門從事有關(guān)THz成像的商品化工作，開發(fā)出被動式THz成像儀，目前已有商業(yè)化無源THz成像系統(tǒng)。英國劍橋大學(xué)孵化出的高科技公司TeraView從事THz攝像機的開發(fā)，研制的TPI Imaga 1000和TPI Imaga 2000三維成像系統(tǒng)，是國際上首臺用于材料物理化學(xué)特性的THz商業(yè)成像系統(tǒng)，可用于無損分析和檢測。英國的EI公司已經(jīng)生產(chǎn)出THz氣體激光器：愛爾蘭的Farran公司也從事THz源及探測器產(chǎn)品的開發(fā)。此外，德國、瑞士、法國等國近年來也出現(xiàn)了多家基于生產(chǎn)THz技術(shù)相關(guān)產(chǎn)品的公司。亞洲相關(guān)公司主要集中在日本和韓國。如日本Nikon公司已經(jīng)生產(chǎn)YRayfact系列THz成像系統(tǒng)：村田制作圍繞THz技術(shù)也開發(fā)出了新的THz相關(guān)應(yīng)用商品；日本富士通公司如今也己開始從事THz激光器的研究；臺灣聯(lián)華電子(UMC)采用其0.13μm RFCMOS工藝技術(shù)，已制造出振蕩頻率為0.192THz的雙推式電壓控制振蕩器，創(chuàng)下了目前硅芯片最高振蕩頻率的紀(jì)錄(若采用65nm工藝，振蕩頻率預(yù)計可達到0.35～0.4THz)。綜上所述，以THz科技為基礎(chǔ)的新一代IT產(chǎn)業(yè)已開始逐步形成，THz科技產(chǎn)業(yè)化在今后將會逐漸步入到工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療檢測、環(huán)境監(jiān)測、安全檢查等領(lǐng)域。
前景
技術(shù)突破
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