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太赫茲技術簡介

  太赫茲是一種新的、有很多獨特優(yōu)點的輻射源；太赫茲技術是一個非常重要的交叉前沿領域，給技術創(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。它之所以能夠引起人們廣泛的關注、有如此之多的應用，首先是因為物質(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信息，所以研究物質(zhì)在該波段的光譜對于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索具有重要意義；其次是因為太赫茲脈沖光源與傳統(tǒng)光源相比具有很多獨特的性質(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、振動信息.太赫茲射線與其他頻段的電磁波相比,它能量低,不會造成對生物樣品的電離損傷,而且太赫茲射線很容易穿過介電材料,因而可以用于產(chǎn)品的安全監(jiān)測.因此太赫茲成像技術在生物學、工業(yè)安全監(jiān)測等方面有可能帶來新的關鍵性的突破。

　　紅外、毫米波與太赫茲都是電磁波譜的一部分。紅外波長范圍從0.75至1000微米，頻率范圍為400至0.3THz；毫米波波長范圍為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。它在長波段與毫米波重合，而在短波段與紅外線重合。

　　在這三個波段內(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域。對于紅外、毫米波的研究已經(jīng)有相當?shù)臍v史，并且與航空、航天、遙感、遙控、預警、監(jiān)測等一系列關系國計民生的重大技術應用緊密關聯(lián)。而由于缺乏有效的產(chǎn)生與檢測方法，國際上對太赫茲的研究僅僅只有２０多年的歷史，人們對該波段電磁輻射性質(zhì)的了解非常有限，以致于該波段被稱為電磁波譜中的太赫茲空隙。

　　科學家們已經(jīng)達成共識：太赫茲是一種新的、有很多獨特優(yōu)點的輻射源，同時又是一個重要的交叉前沿領域。雖然目前利用太赫茲開發(fā)的產(chǎn)品非常有限，但可以預計的是未來各國將會投入龐大資源去開發(fā)太赫茲技術。

太赫茲技術的美好前景

　　太赫茲的應用前景廣闊，將對多個領域帶來革命性變化。目前，已經(jīng)投入實驗性使用的是代替X光安全檢測。據(jù)中科院上海技術物理研究所陸衛(wèi)研究員介紹，相對于紅外而言，太赫茲的波長更長，對物體的滲透性也更強。2003年美國哥倫比亞號航天飛機失事后，科學家從美國航天局提供的一塊材料著手，利用太赫茲作了檢測。材料里有90多個缺陷是對安全有害的，他們檢測出了其中的大部分，漏檢率只有百分之幾，超過了其他檢測方法。在美國的一些機場已經(jīng)使用了太赫茲安全檢測，不僅僅是從形態(tài)上，更是從化學組成上準確分辨爆炸物。

　　同時，可以“看”到太赫茲的射電望遠鏡也已經(jīng)在我國使用。沈?qū)W礎院士說，肉眼只能觀察到發(fā)射450-750納米波長可見光的天體，但這類天體只占總數(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。寬波段的射電望遠鏡則能幫助科學家們觀測到這些不可見光，從而了解更多天體信息。

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

1. 特征
基于半導體的太赫茲發(fā)射源和探測器
光譜范圍0.1-3 THz
亞皮秒的時間分辨率
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）正好填補現(xiàn)有物理學電磁波譜中毫米波和紅外線波段之間的這一段空白。被科學界戲稱為太赫茲“空隙”的這段光譜是非常有吸引力的，因為已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多潛在的應用，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、生物檢測以及先進通信系統(tǒng)等方面同樣具有十分廣闊的應用前景。

3. 太赫茲時域光譜分析（THz—TDS）

太赫茲時域光譜裝置

典型的THz時域光譜學系統(tǒng)如圖1。用亞皮秒的太赫茲脈沖透過樣品，再經(jīng)一段對稱的自由空間后由探測器接收，測量由此產(chǎn)生的電磁場強度隨時間的變化（利用傅立葉變換獲得頻域上幅度和相位的變化量），進而得到樣品的信息。這樣的測量方法已經(jīng)成功地用于氣體和有機材料的測量。

4. 太赫茲成像（THz Imaging）
  太赫茲射線能夠深入到許多有機材料內(nèi)部而不傷害材料，這個類似于X射線的特長使太赫茲成像非常適合用來測量生物樣品。通過聚焦后的太赫茲光束來對樣品進行光柵掃描，這套工具包就能輕易的實現(xiàn)太赫茲成像。

5. 太赫茲泵浦探針試驗(Pump-Probe THz Experiments)
  而飛秒激光器的引入為研究超快過程的非平衡動態(tài)力學提供了手段。在采用光泵浦探針技術的試驗中，樣品一面被超短的強激光脈沖照射，激發(fā)出自由電信號，同時一束相對較弱的泵浦信號光從另一面射入，這束THz波改變了樣品的光學性質(zhì)。與純粹的光學探針技術恰恰相反——研究發(fā)現(xiàn)THz泵浦脈沖在半導體的級帶上是非共振的，這就避免了自由電子動力學領域試驗中許多人工的假象干擾，可以放心地直接作為探針應用于光泵浦-光學探針系統(tǒng)。

6. THz光譜應用組件
  標準的成套工具包由：含光電導天線的THz發(fā)射和接收器、引導泵浦光路的光學組件、電機延遲線、給THz光路定向的光學鏡片、樣品臺、帶控制器的斬波器和鎖相放大器多部分組成。配置簡單靈活可應需更改，比如，把樣品臺安裝在X-Y電動調(diào)整架上即轉(zhuǎn)換成成像實驗用的裝置了。

7.THz 應用相關元件

太赫茲發(fā)射器，太赫茲探測器，光學元器件

  THz發(fā)射和接收器均集成了低溫環(huán)境下生長的GaAs晶體材料光電導天線（含微波傳輸帶）和一些THz透鏡，分別安置在兩個X-Y調(diào)整架當中。電子遷移率和誘捕時間這兩個技術指標分別決定了光電導天線在發(fā)射器和接收器上的表現(xiàn)。低溫環(huán)境生長的GaAs（LTG-GaAs）是較適于太赫茲應用的材料之一，因為它有極高的電子遷移率、較快的電信號捕獲時間、很高的擊穿電壓以及高抗性。另外，我們在低溫環(huán)境生長GaAs的過程中采用了一種特別的技術，使得光電激發(fā)壽命獲得了一個遠寬于正常的可控波譜范圍：從低于100fs 一直到100ps！除了光電導天線的幾何設計，像THz透鏡組的參數(shù)的準確選擇和低溫GaAs晶體外延法生長過程選擇哪類材料的附著層，這些都是非常關鍵的因素。我們希望在保留較佳的帶寬情況下，通過優(yōu)化還能輸出較高能量的THz輻射。所克服的技術難點也正是這套工具包的價值所在。

  就拿THz透鏡來說，這套THz發(fā)射和探測級所選配的透鏡，用了許多不同材料來滿足如此寬范圍的波長的輻射，一般來說，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”準直和聚焦的重要元件。

中國工程物理研究院

北京計量院

北京無線電計量測試研究所

中國科學院半導體研究所

清華大學

北京大學

中科院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所

中國科學院上海光學精密機械研究所

上海技術物理所

西南科技大學

四川大學

成都光電所

深圳大學

長春理工大學

上海理工大學

浙江大學

南開大學

北京交通大學

中國科學技術大學

深圳先進技術研究院

東南大學太赫茲研究所

山東科技大學

廈門大學

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不能一一列舉敬請諒解