太赫兹成像技术概念及原理解析_太赫兹波特征及应用

一、太赫兹成像技术概念及原理解析

太赫兹技术简介

太赫兹（Terahertz，1THz=1012Hz）泛指频率在0.1～10THz波段内的电磁波，位于红外和微波之间，处于宏观电子学向微观光子学的过渡阶段。太赫兹辐射是0.1~10THz的电磁辐射，从频率上看，在无线电波和光波，毫米波和红外线之间；从能量上看，在电子和光子之间·在电磁频谱上，太赫兹波段两侧的红外和微波技术已经非常成熟，但是太赫兹技术基本上还是一个空白，其原因是在此频段上，既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合微波的理论来研究。

太赫兹系统在半导体材料、高温超导材料的性质研究、断层成像技术、无标记的基因检查、细胞水平的成像、化学和生物的检查，以及宽带通信、微波定向等许多领域有广泛的应用。研究该频段的辐射源不仅将推动理论研究工作的重大发展，而且对固态电子学和电路技术也将提出重大挑战。

远距离穿墙术，铸就反恐作战新利器。

如果问一下驻伊美军最怕的是什么，那答案肯定是路边炸弹，防不胜防的路边炸弹，成了驻伊美军不寒而栗的“头号杀手”，以至于让美国海军陆战队司令迈克尔·哈吉认为：“这种相对低级的武器将成为未来战争的一个标志。”在美军撤离伊拉克之前路边炸弹造成的伤亡一度不绝于耳。与此同时，不断发生的细菌邮件、包裹炸弹和自杀式袭击也令人神经紧绷。似乎在传统威胁面前，高新技术也无能为力，事实真是如此吗？太赫兹的穿墙透视能力或许能够扭转这种被动局面。

太赫兹的频率很高、波长很短，具有很高的时域频谱信噪比，且在浓烟、沙尘环境中传输损耗很少，可以穿透墙体对房屋内部进行扫描，是复杂战场环境下寻敌成像的理想技术。未来城市及反恐作战中，借助太赫兹特有的“穿墙术”，可以对“墙后”物体进行三维立体成像，探测隐蔽的武器、伪装埋伏的武装人员和显示沙尘或烟雾中的坦克、火炮等装备，进而拨开战场迷雾。

另外，太赫兹成像技术在塑料凶器、陶瓷手枪、塑胶炸弹、流体炸药和人体炸弹的检测和识别上，更是“明察秋毫”，利用强太赫兹辐射照射路面，还可以远距离探测地下的雷场分布。如此，士兵们不需要再靠近可疑地段或人员便可以对其进行检查。与耗资较高、作用距离较短、无法识别具体爆炸物的X射线扫描仪相比，太赫兹成像具有独特优势，目前已经初步应用于检查邮件、识别炸药及无损探伤等安全领域。

二、太赫兹波特征及应用

1、太赫兹波特征

太赫兹技术之所以成为科学前沿关注的对象，是因为太赫兹处于电磁波段中的特殊位置，与其它波段的电磁波相比具有许多独特的性能。

1.1、与短波长的电磁波相比：

（1）THz波的典型脉宽在亚皮秒量级，可以进行亚皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，通过取样测量技术，能够防止背景辐射噪音的干扰。目前太赫兹辐射强度能够得到的探测效果，远远优于傅立叶变换红外光谱的探测技术，并且太赫兹技术稳定性也很高。

（2）太赫兹波源通常包含若干个周期的电磁振荡，频带覆盖范围很宽。单个脉冲的频带可以达到GHz到几十THz的范围，可以在大范围内分析研究物质的光谱特性。

（3）太赫兹辐射的产生机制决定了THz波具有很高的时间和空间相干性。而运用太赫兹时域光谱技术可以直接测量出太赫兹电场的振幅和相位，更为方便地提取测量样品的相关物理信息。

（4）太赫兹波段中正好对应许多特定材料的能隙，他们的太赫兹光谱会存在明显的特征吸收。比如许多有机大分子、违禁易爆品等对THz波呈现出强烈的吸收和色散特性；利用THz波特有的光谱特征可做指纹识别。所以生物探测、危险爆炸物品检测将成为太赫兹技术重要发展前景之一。

（5）THz波的光子能量很低，约为x射线光子能量的1/10，更是远远低于各种化学健的键能，因此它对活体生物组织不会造成电离损伤。可以应用THz技术研究酶的特性、进行DNA鉴别等。另外由于水分子、氨分子等大多数极性分子对太赫兹波有非常强烈的吸收，所以太赫兹波不能穿透人体的皮肤，因此即使很强烈的太赫兹辐射，它对人体的影响也仅仅停留在皮肤表层，而不像微波那样直接穿透到人体的内部。这一点可以应用在对旅客身体以及生物样品的探测检查，可做为X射线成像检测手段的有益补充。

（6）THz辐射对于很多非极性物质，如电介质材料及塑料、陶瓷、纸箱、布料、硅片、干木材等材料有很强的穿透能力，可用来对已经包装的物品进行质检或者用于今后的安全检查。THz波的这些特殊性使发展THz技术具有了重要的意义。

1.2、与长波长的电磁波相比：

（1）与微波相比，THz波的频率则更高，相同条件下通信传输的容量可以更大，因此在作为通信载体时，单位时间内THz波可以承载更多的信息量，同时由于太赫兹波的波长更短，实施同样的传输功能的情况下，可以把天线的尺寸做得更小，那么相应的系统结构及设备也可以做得更简单、更经济，从而节省成本。

（2）由于THz波波长更短、波束更窄，它的方向性要远远好于微波，成像应用中则具有更高的空间分辨率，或者在保持同等空间分辨率时能够具有更长的景深。这一点可以用来探测更小的目标，在天文及军事领域可用于更精确地定位。

（3）与微波相比，THz波具有更好的保密性和抗干扰能力。综上这些优势，THz在中短距离、高容量、无线通信技术中具有很强应用潜力。

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