張存林  趙國(guó)忠

 

首都師范大學(xué)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(lèi)目前尚未完全開(kāi)發(fā)的電磁波譜“空隙區(qū)”。由于其頻率范圍處于電子學(xué)和光子學(xué)的交叉區(qū)域，太赫茲波的理論研究處在經(jīng)典理論和量子躍遷理論的過(guò)渡區(qū)，其性質(zhì)表現(xiàn)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(yīng)用。主要應(yīng)用在光譜、成像和通信領(lǐng)域。
 
    太赫茲波的特殊性質(zhì)及其有關(guān)的應(yīng)用表現(xiàn)在：
   （1）對(duì)衣物、塑料、陶瓷、硅片、紙張和干木材等一系列物質(zhì)，具有較好的穿透性能，從而可以探測(cè)X射線、可見(jiàn)光和紅外不可探測(cè)的材料內(nèi)部缺陷和隱藏物；
   （2）利用適當(dāng)?shù)男】谆蜥樇猓梢赃_(dá)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(guò)物質(zhì)時(shí)不易發(fā)生電離，所以可以進(jìn)行安全的無(wú)損檢測(cè)；
   （4）由于對(duì)水分的吸收很敏感，探測(cè)含有水分的物質(zhì)（例如樹(shù)葉、生物組織等）時(shí)，可以表征水分的含量和分布，從而可以用于生物醫(yī)學(xué)成像和光檢測(cè)；
   （5）不同物質(zhì)在太赫茲波譜區(qū)域，具有不同的吸收和色散性質(zhì)，很多凝聚態(tài)物質(zhì)和生物大分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)落在太赫茲波段，可以通過(guò)太赫茲光譜測(cè)量獲得其特征光譜，用于區(qū)分材料的結(jié)構(gòu)和種類(lèi)等；
   （6）太赫茲頻譜范圍介于微波和紅外之間，是電子學(xué)與光子學(xué)研究的交叉領(lǐng)域，其瞬態(tài)性和相干性提供了進(jìn)行時(shí)間分辨光譜測(cè)量的條件，從而可以通過(guò)電光取樣獲得時(shí)間分辨的電場(chǎng)變化信息，同時(shí)得到其電場(chǎng)振幅和相位的測(cè)量，這為太赫茲時(shí)域光譜學(xué)提供了基礎(chǔ)。
 
    太赫茲波可能的應(yīng)用還包括：
   （1）在國(guó)土安全檢測(cè)方面的應(yīng)用，例如毒品、爆炸物、化學(xué)／生物危險(xiǎn)品和武器等的非接觸安全檢測(cè)、郵件隱藏物的非接觸監(jiān)測(cè)等，從而受到了反恐、保安和海關(guān)檢查等方面的重視；
   （2）國(guó)防和太赫茲雷達(dá)，如遠(yuǎn)程監(jiān)視、探測(cè)武器以及在戰(zhàn)場(chǎng)上用于顯示前方灰塵或煙霧中的坦克等，遠(yuǎn)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(wú)損檢測(cè)，特別是對(duì)于一些塑料泡沫等絕熱材料內(nèi)部的缺陷和裂痕等，進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)和成像，在航空、航天結(jié)構(gòu)材料的檢測(cè)與評(píng)估方面，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。另外，對(duì)藥物生產(chǎn)質(zhì)量的控制等，太赫茲?rùn)z測(cè)顯示出明顯的優(yōu)越性；
   （4）太赫茲在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用，氨基酸和蛋白質(zhì)等生物大分子的無(wú)標(biāo)志識(shí)別，已經(jīng)引起了太赫茲領(lǐng)域?qū)＜业母叨戎匾暎惶掌濁t(yī)學(xué)成像和層析成像，有望在生物和醫(yī)學(xué)診斷與檢測(cè)中得到廣泛的應(yīng)用，特別是太赫茲?rùn)z測(cè)用于皮膚病和乳腺癌方面，國(guó)際上已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展；
   （5）太赫茲在通信方面的應(yīng)用，一直受到有關(guān)方面的高度重視，例如衛(wèi)星間星際通信、短程大氣通信、短程地面無(wú)線局域網(wǎng)等，國(guó)際上有關(guān)項(xiàng)目正在開(kāi)展研究和應(yīng)用(如歐盟合作項(xiàng)目WANTED等)。此外，發(fā)展太赫茲通信理論也成為這一領(lǐng)域的熱門(mén)課題；
   （6）太赫茲在半導(dǎo)體物理、材料和器件研究中應(yīng)用，一直是太赫茲科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域研究和應(yīng)用的重點(diǎn)內(nèi)容。太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器（THz—QCL）、半導(dǎo)體的太赫茲發(fā)射光譜研究、太赫茲超快光電子學(xué)研究以及太赫茲在半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì)研究方面的應(yīng)用等，受到了國(guó)內(nèi)外有關(guān)專家的高度重視。特別是太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器，有望成為實(shí)用、高效、小型化的太赫茲光源，成為一個(gè)迅速發(fā)展的研究領(lǐng)域；
   （7）太赫茲波的傳播及其與物質(zhì)相互作用的機(jī)理研究，對(duì)于太赫茲科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步，具有舉足輕重的作用，也成為物理學(xué)和相關(guān)學(xué)科研究的熱門(mén)課題之一。太赫茲電磁輻射產(chǎn)生與探測(cè)新方法及機(jī)理研究、太赫茲傳輸過(guò)程中新物理現(xiàn)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(dǎo)中的傳輸，特別是太赫茲波與物質(zhì)相互作用的機(jī)理研究，在太赫茲科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域占據(jù)著相當(dāng)重要的地位；
   （8）太赫茲在天文觀測(cè)方面也得到了有效的應(yīng)用，例如南極天文望遠(yuǎn)鏡裝有OPTL激光器作為太赫茲接收器的本地振蕩器，用以測(cè)量N₂⁺，H₂D⁺和CO；  美國(guó)NASA的Aura衛(wèi)星上載有一個(gè)2.4 THz的激光器，用以測(cè)量同溫層內(nèi)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(dòng)力學(xué)等，也是天文學(xué)研究的熱門(mén)課題。
 
    目前，世界各國(guó)爭(zhēng)相發(fā)展自己的太赫茲技術(shù)。太赫茲科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的新理論、新現(xiàn)象、新方法和新的應(yīng)用層出不群，難以盡數(shù)。本文結(jié)合我們實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展的一些工作，就國(guó)內(nèi)外太赫茲波應(yīng)用方面的研究概況和發(fā)展趨勢(shì)，以及我們所了解的、可能的太赫茲波應(yīng)用領(lǐng)域，作一簡(jiǎn)要的介紹，供大家參考。