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太赫兹技术将“改变未来世界”,国际掀起THz研究热潮

添加时间:2020-4-6  录入:本站  来源:原创

 THz波(太赫兹波)是从上个世纪80年代中后期,才被正式命名的,在此以前科学家们将统称为远红外射线。太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波,波长大概在0.03到3mm范围,介于微波与红外之间。
实际上,早在一百年前,就有科学工作者涉及过这一波段。在1896年和1897年,Rubens和Nichols就涉及到这一波段,红外光谱到达9um(0.009mm)和20um(0.02mm),之后又有到达50um的记载。之后的近百年时间,远红外技术取得了许多成果,并且已经产业化。但是涉及太赫兹波段的研究结果和数据非常少,主要是受到有效太赫兹产生源和灵敏探测器的限制,因此这一波段也被称为THz间隙。
随着80年代一系列新技术、新材料的发展,特别是超快技术的发展,使得获得宽带稳定的脉冲THz源成为一种准常规技术,THz技术得以迅速发展,并在国际范围内掀起一股THz研究热潮。太赫兹技术将“改变未来世界”。
太赫兹波的特点
目前,国际上对太赫兹辐射已达成如下共识,即太赫兹是一种新的、有很多独特优点的辐射源;太赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿领域,给技术创新、国民经济发展和国家安全提供了一个非常诱人的机遇。它之所以能够引起人们广泛的关注、有如此之多的应用,首先是因为物质的太赫兹光谱(包括透射谱和反射谱)包含着非常丰富的物理和化学信息,所以研究物质在该波段的光谱对于物质结构的探索具有重要意义;其次是因为太赫兹脉冲光源与传统光源相比具有很多独特的性质。 人们关注THz技术的原因是THz射线普遍存在,是人们认识自然界的有效线索和工具。但是相对于其他波段的电磁波比如红外和微波,对它的认识和应用非常匮乏。
自身的特点1
是THz 脉冲的典型脉宽在皮秒量级,不但可以方便地进行时间分辩的研究,而且通过取样测量技术,能够有效地抑制远红外背景噪声的干扰。目前,脉冲THz 辐射通常只有较低的THz 射线平均功率,但是由于THz 脉冲有很高的峰值功率,并且采用相干探测技术获得的是THz 脉冲的实时功率而不是平均功率,因此有很高的信噪比。目前,在时域光谱系统中的信噪比可达105或更高。
自身的特点2
是THz 脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡,单个脉冲的频带可以覆盖从GHz 直至几十THz 的范围,许多生物大分子的振动和转动能级,电介质、半导体材料、超导材料、薄膜材料等的声子振动能级落在THz 波段范围。因此THz 时域光谱技术作为探测材料在THz 波段信息的一种有效的手段,非常适合于测量材料吸收光谱,可用于进行定性鉴别的工作。
自身的特点3
THz 光子的能量低,只有几毫电子伏特,因此不容易破坏被检测物质。
自身的特点4
许多的非金属非极性材料对THz 射线的吸收较小,因此结合相应的技术,使得探测材料内部信息成为可能。例如,陶瓷,硬纸板,塑料制品,泡沫等对THz 电磁辐射是透明的,因此THz 技术可以作为x射线的非电离和相干的互补辐射源,用于机场、车站等地方的安全监测,比如探查隐藏的走私物品包括枪械、爆炸物、和毒品等,以及用于集成电路焊接情况的检测等。极性物质对THz 电磁辐射的吸收比较强,特别是水,THz 光谱技术中应采取各种措施避免水分的影响,不过在THz 成像技术中,可以利用这一特性分辨生物组织的不同状态,比如动物组织中脂肪和肌肉的分布,诊断人体烧伤部位的损伤程度,及植物叶片组织的水分含量分布等。太赫兹成像技术与其他波段的成像技术相比,它所得到的探测图像的分辨率和景深都有明显的增加(超声、红外、X-射线技术也能提高图像分辨率,但是毫米波技术却没有明显的提高)。另外太赫兹技术还有许多独特的特性,如在非均匀的物质中有较少的散射,能够探测和测量水汽含量等等。 太赫兹光谱技术不仅信噪比高,能够迅速地对样品组成的细微变化作出分析和鉴别,而且太赫兹光谱技术是一种非接触测量技术,使它能够对半导体、电介质薄膜及体材料的物理信息进行快速准确的测量。鉴于THz射线的特点,必将给通信、雷达、天文、医学成像、生物化学物品鉴定、材料学、安全检查等领域带来深远的影响,进而改变人们的生产生活。