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太赫茲技術(shù)簡(jiǎn)介

  太赫茲是一種新的、有很多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)的輻射源；太赫茲技術(shù)是一個(gè)非常重要的交叉前沿領(lǐng)域，給技術(shù)創(chuàng)新、國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家安全提供了一個(gè)非常誘人的機(jī)遇。它之所以能夠引起人們廣泛的關(guān)注、有如此之多的應(yīng)用，首先是因?yàn)槲镔|(zhì)的太赫茲光譜（包括透射譜和反射譜）包含著非常豐富的物理和化學(xué)信息，所以研究物質(zhì)在該波段的光譜對(duì)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索具有重要意義；其次是因?yàn)樘掌澝}沖光源與傳統(tǒng)光源相比具有很多獨(dú)特的性質(zhì)。

  太赫茲(THz)輻射介于微波和紅外之間，與微波、X射線、核磁共振(NMR)成像相比，太赫茲成像不僅能給出物體的密度信息,而且能給出頻率域的信息,以及在光頻、微波和X射線范圍內(nèi)所不能給出的材料的轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)信息.太赫茲射線與其他頻段的電磁波相比,它能量低,不會(huì)造成對(duì)生物樣品的電離損傷,而且太赫茲射線很容易穿過(guò)介電材料,因而可以用于產(chǎn)品的安全監(jiān)測(cè).因此太赫茲成像技術(shù)在生物學(xué)、工業(yè)安全監(jiān)測(cè)等方面有可能帶來(lái)新的關(guān)鍵性的突破。

　　紅外、毫米波與太赫茲都是電磁波譜的一部分。紅外波長(zhǎng)范圍從0.75至1000微米，頻率范圍為400至0.3THz；毫米波波長(zhǎng)范圍為1～100毫米，頻率為30～300GHz，即0.03～0.3THz；太赫茲，是指頻率在0.1-10THz范圍內(nèi)的電磁波。它在長(zhǎng)波段與毫米波重合，而在短波段與紅外線重合。

　　在這三個(gè)波段內(nèi)，電磁波輻射包括相干輻射的產(chǎn)生、傳播和接收構(gòu)成了內(nèi)容十分豐富，用途特別廣泛的研究領(lǐng)域。對(duì)于紅外、毫米波的研究已經(jīng)有相當(dāng)?shù)臍v史，并且與航空、航天、遙感、遙控、預(yù)警、監(jiān)測(cè)等一系列關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重大技術(shù)應(yīng)用緊密關(guān)聯(lián)。而由于缺乏有效的產(chǎn)生與檢測(cè)方法，國(guó)際上對(duì)太赫茲的研究?jī)H僅只有２０多年的歷史，人們對(duì)該波段電磁輻射性質(zhì)的了解非常有限，以致于該波段被稱(chēng)為電磁波譜中的太赫茲空隙。

　　科學(xué)家們已經(jīng)達(dá)成共識(shí)：太赫茲是一種新的、有很多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)的輻射源，同時(shí)又是一個(gè)重要的交叉前沿領(lǐng)域。雖然目前利用太赫茲開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品非常有限，但可以預(yù)計(jì)的是未來(lái)各國(guó)將會(huì)投入龐大資源去開(kāi)發(fā)太赫茲技術(shù)。

太赫茲技術(shù)的美好前景

　　太赫茲的應(yīng)用前景廣闊，將對(duì)多個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)革命性變化。目前，已經(jīng)投入實(shí)驗(yàn)性使用的是代替X光安全檢測(cè)。據(jù)中科院上海技術(shù)物理研究所陸衛(wèi)研究員介紹，相對(duì)于紅外而言，太赫茲的波長(zhǎng)更長(zhǎng)，對(duì)物體的滲透性也更強(qiáng)。2003年美國(guó)哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)失事后，科學(xué)家從美國(guó)航天局提供的一塊材料著手，利用太赫茲作了檢測(cè)。材料里有90多個(gè)缺陷是對(duì)安全有害的，他們檢測(cè)出了其中的大部分，漏檢率只有百分之幾，超過(guò)了其他檢測(cè)方法。在美國(guó)的一些機(jī)場(chǎng)已經(jīng)使用了太赫茲安全檢測(cè)，不僅僅是從形態(tài)上，更是從化學(xué)組成上準(zhǔn)確分辨爆炸物。

　　同時(shí)，可以“看”到太赫茲的射電望遠(yuǎn)鏡也已經(jīng)在我國(guó)使用。沈?qū)W礎(chǔ)院士說(shuō)，肉眼只能觀察到發(fā)射450-750納米波長(zhǎng)可見(jiàn)光的天體，但這類(lèi)天體只占總數(shù)的很小一部分，其他的天體也是在發(fā)光發(fā)熱，但卻是肉眼看不到的紅外、太赫茲和毫米波。寬波段的射電望遠(yuǎn)鏡則能幫助科學(xué)家們觀測(cè)到這些不可見(jiàn)光，從而了解更多天體信息。

　　太赫茲另一個(gè)可能的用處是參與國(guó)際核聚變反應(yīng)堆計(jì)劃。沈?qū)W礎(chǔ)院士告訴記者，從單個(gè)光子看，太赫茲的能量低，只有可見(jiàn)光的數(shù)百分之一。但一旦將太赫茲聚集起來(lái)，形成一個(gè)高能集束，由此放射出的一個(gè)脈沖能量可達(dá)幾百兆瓦，可以為核聚變反應(yīng)堆加熱。建造一個(gè)高效、穩(wěn)定、大功率的太赫茲發(fā)生器是科學(xué)家們研究重點(diǎn)之一。

1. 特征
基于半導(dǎo)體的太赫茲發(fā)射源和探測(cè)器
光譜范圍0.1-3 THz
亞皮秒的時(shí)間分辨率
用電腦控制并完成數(shù)據(jù)分析

2. 介紹
太赫茲和亞太赫茲的頻段（100GHz-10THz）正好填補(bǔ)現(xiàn)有物理學(xué)電磁波譜中毫米波和紅外線波段之間的這一段空白。被科學(xué)界戲稱(chēng)為太赫茲“空隙”的這段光譜是非常有吸引力的，因?yàn)橐呀?jīng)發(fā)現(xiàn)許多潛在的應(yīng)用，除了我們下面將提到的三大主流研究方向外，在特殊物體成像、生物檢測(cè)以及先進(jìn)通信系統(tǒng)等方面同樣具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

3. 太赫茲時(shí)域光譜分析（THz—TDS）

太赫茲時(shí)域光譜裝置

典型的THz時(shí)域光譜學(xué)系統(tǒng)如圖1。用亞皮秒的太赫茲脈沖透過(guò)樣品，再經(jīng)一段對(duì)稱(chēng)的自由空間后由探測(cè)器接收，測(cè)量由此產(chǎn)生的電磁場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化（利用傅立葉變換獲得頻域上幅度和相位的變化量），進(jìn)而得到樣品的信息。這樣的測(cè)量方法已經(jīng)成功地用于氣體和有機(jī)材料的測(cè)量。

4. 太赫茲成像（THz Imaging）
  太赫茲射線能夠深入到許多有機(jī)材料內(nèi)部而不傷害材料，這個(gè)類(lèi)似于X射線的特長(zhǎng)使太赫茲成像非常適合用來(lái)測(cè)量生物樣品。通過(guò)聚焦后的太赫茲光束來(lái)對(duì)樣品進(jìn)行光柵掃描，這套工具包就能輕易的實(shí)現(xiàn)太赫茲成像。

5. 太赫茲泵浦探針試驗(yàn)(Pump-Probe THz Experiments)
  而飛秒激光器的引入為研究超快過(guò)程的非平衡動(dòng)態(tài)力學(xué)提供了手段。在采用光泵浦探針技術(shù)的試驗(yàn)中，樣品一面被超短的強(qiáng)激光脈沖照射，激發(fā)出自由電信號(hào)，同時(shí)一束相對(duì)較弱的泵浦信號(hào)光從另一面射入，這束THz波改變了樣品的光學(xué)性質(zhì)。與純粹的光學(xué)探針技術(shù)恰恰相反——研究發(fā)現(xiàn)THz泵浦脈沖在半導(dǎo)體的級(jí)帶上是非共振的，這就避免了自由電子動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域試驗(yàn)中許多人工的假象干擾，可以放心地直接作為探針應(yīng)用于光泵浦-光學(xué)探針系統(tǒng)。

6. THz光譜應(yīng)用組件
  標(biāo)準(zhǔn)的成套工具包由：含光電導(dǎo)天線的THz發(fā)射和接收器、引導(dǎo)泵浦光路的光學(xué)組件、電機(jī)延遲線、給THz光路定向的光學(xué)鏡片、樣品臺(tái)、帶控制器的斬波器和鎖相放大器多部分組成。配置簡(jiǎn)單靈活可應(yīng)需更改，比如，把樣品臺(tái)安裝在X-Y電動(dòng)調(diào)整架上即轉(zhuǎn)換成成像實(shí)驗(yàn)用的裝置了。

7.THz 應(yīng)用相關(guān)元件

太赫茲發(fā)射器，太赫茲探測(cè)器，光學(xué)元器件

  THz發(fā)射和接收器均集成了低溫環(huán)境下生長(zhǎng)的GaAs晶體材料光電導(dǎo)天線（含微波傳輸帶）和一些THz透鏡，分別安置在兩個(gè)X-Y調(diào)整架當(dāng)中。電子遷移率和誘捕時(shí)間這兩個(gè)技術(shù)指標(biāo)分別決定了光電導(dǎo)天線在發(fā)射器和接收器上的表現(xiàn)。低溫環(huán)境生長(zhǎng)的GaAs（LTG-GaAs）是較適于太赫茲應(yīng)用的材料之一，因?yàn)樗袠O高的電子遷移率、較快的電信號(hào)捕獲時(shí)間、很高的擊穿電壓以及高抗性。另外，我們?cè)诘蜏丨h(huán)境生長(zhǎng)GaAs的過(guò)程中采用了一種特別的技術(shù)，使得光電激發(fā)壽命獲得了一個(gè)遠(yuǎn)寬于正常的可控波譜范圍：從低于100fs 一直到100ps！除了光電導(dǎo)天線的幾何設(shè)計(jì)，像THz透鏡組的參數(shù)的準(zhǔn)確選擇和低溫GaAs晶體外延法生長(zhǎng)過(guò)程選擇哪類(lèi)材料的附著層，這些都是非常關(guān)鍵的因素。我們希望在保留較佳的帶寬情況下，通過(guò)優(yōu)化還能輸出較高能量的THz輻射。所克服的技術(shù)難點(diǎn)也正是這套工具包的價(jià)值所在。

  就拿THz透鏡來(lái)說(shuō)，這套THz發(fā)射和探測(cè)級(jí)所選配的透鏡，用了許多不同材料來(lái)滿(mǎn)足如此寬范圍的波長(zhǎng)的輻射，一般來(lái)說(shuō)，像絕緣材料和硅質(zhì)都是比較常用的。鍍金的反射鏡則是保證THz“光束”準(zhǔn)直和聚焦的重要元件。

中國(guó)工程物理研究院

北京計(jì)量院

北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所

中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所

清華大學(xué)

北京大學(xué)

中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所

中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所

上海技術(shù)物理所

西南科技大學(xué)

四川大學(xué)

成都光電所

深圳大學(xué)

長(zhǎng)春理工大學(xué)

上海理工大學(xué)

浙江大學(xué)

南開(kāi)大學(xué)

北京交通大學(xué)

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)

深圳先進(jìn)技術(shù)研究院

東南大學(xué)太赫茲研究所

山東科技大學(xué)

廈門(mén)大學(xué)

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不能一一列舉敬請(qǐng)諒解