太赫兹波段的特性及应用

太赫兹光谱

太赫兹（THz）辐射通常定义为100GHz（3mm）至10THz（30μm）范围内的电磁频谱区域，介于毫米和红外频率之间。太赫兹波段有几个名称，例如亚毫米波、远红外和近毫米波。

电磁频谱中的太赫兹波段如图1所示。

图1太赫兹波段在电磁波谱中的位置示意图

与相邻区域（即微波和光学波段）相比，这部分电磁频谱是研究最少的区域。

这就是为什么使用术语“太赫兹间隙”来解释该波段与发达的相邻光谱区域相比的初期。这导致来自不同学科（如物理学、材料科学、电子学、光学和化学）的研究人员研究太赫兹波的各种未探索或探索较少的方面。

太赫兹波的性质

尽管对太赫兹区域的兴趣可以追溯到1920年代，但仅在过去的30年中，才对该区域进行了广泛的研究。这样做的一个关键动机是在太赫兹频率范围内卓越的波特性和广泛的可能应用。

太赫兹波具有夹在它们之间的两个波段的中间特征。

这些属性可以总结如下：

穿透性：太赫兹辐射的波长比红外波长长；因此，与红外波（在微米范围内）相比，太赫兹波具有更少的散射和更好的穿透深度（在厘米范围内）。因此，干燥的非金属材料在这个范围内是透明的，但在可见光谱中是不透明的。

分辨率：与微波相比，太赫兹波的波长更短；这提供了更好的空间成像分辨率。

安全性：太赫兹波段的光子能量远低于X射线。因此，太赫兹辐射是非电离的。

光谱指纹：许多分子的振动间和振动内模式位于太赫兹范围内。

开发太赫兹频段的挑战

尽管太赫兹波段有几个引人入胜的特征，但太赫兹技术也存在一些特定的挑战。与相邻波段相比，太赫兹领域发展不足的主要原因是缺乏高效、连贯和紧凑的太赫兹源和探测器。

源的这些特性可以在常见的微波频率源（例如晶体管或RF/MW天线）以及在可见光和红外范围内工作的设备（例如半导体激光二极管）中找到。然而，在不显着降低功率和效率的情况下，采用这些技术在太赫兹区域运行是不可能的。

在太赫兹频率范围的低端，一般采用固态电子器件；然而，由于电抗效应和较长的传输时间，此类设备具有1/f2的滚降。另一方面，由于缺乏具有足够小的带隙能量的材料，二极管激光器等光学器件在太赫兹范围限制下表现不佳。

太赫兹频段的另一个挑战是高损耗。太赫兹波在大气情况和潮湿环境中具有很高的吸收性。图2描绘了整个电磁频谱的大气衰减。

图2.不同大气情况下的海平面衰减：雨=4mm/h；雾=100m能见度；STD=7.5g/m3水蒸气；2×STD=15g/m3水蒸气。

很明显，太赫兹范围内的信号衰减远远超过微波和红外波段。这部分是因为水分子在这个范围内共振。

太赫兹波的不利大气特性使其成为以下两种情况的合适工作频率区域：

航空航天：在太空中，环境接近真空，因此水滴引起的信号吸收和衰减不是问题。此外，星际尘埃的光谱特征位于太赫兹区域。因此，太赫兹技术在射电天文学中得到了广泛的应用，例如欧洲航天局发射的赫歇尔空间天文台。

短程：对于短程应用，大气衰减可以忽略不计，尤其是高吸收频率。这使得这些窄线的影响的去除/识别更容易。因此，太赫兹技术对于物理和化学等各个学科的基础研究来说是一个非常资源丰富的工具。此外，对于具有高数据速率的短距离无线通信来说，它也是一个有吸引力的选择。

太赫兹辐射的应用

太赫兹辐射可用于许多潜在应用，包括太赫兹成像、光谱学和无线通信。

生物医学成像是太赫兹成像的子类别之一。太赫兹波可以在人体组织中穿透数百微米；因此太赫兹医学成像可应用于皮肤、口腔、乳腺癌等体表诊断，以及牙科成像。此外，太赫兹系统在安全应用、固体爆炸材料检测和邮件筛选方面具有潜在市场。最后但同样重要的是，太赫兹成像是一种方便的半导体封装检测方法。

太赫兹光谱是一种非常强大的技术，可用于表征材料特性并了解它们在该波段中的特征。太赫兹光谱增强了对许多单晶、微晶和有机分子粉末样品的吸收特征的理解。

图3显示了用于识别麦芽糖分子振动模式的测量结果样本。

图3.在太赫兹时域光谱系统中测得的麦芽糖振动光谱，上图显示了没有麦芽糖样品时测得的太赫兹信号。下图中的箭头显示麦芽糖分子的振动频率。插图显示了麦芽糖的分子结构。

太赫兹光谱在生物化学科学中具有应用，例如DNA特征和蛋白质结构的分析。生产过程的在线控制是太赫兹光谱的另一个潜在应用，它可以提供非接触式和实时测量。由于太赫兹频率的高吸水率，太赫兹光谱可以被积极地操纵以区分水合物质和干燥物质。例如，在造纸工业中，太赫兹光谱已被制造商用于监测纸张的厚度和水分含量。

在某些应用中，例如无损检测，同时采用太赫兹成像和光谱学。例如，在艺术史调查中，太赫兹成像和光谱有助于对文物进行成像，以揭示艺术品不同层的厚度并显示材料类型。

图4显示了Preghiera麦当娜的可见照片（左）和基于0.5–1THz之间的综合光谱的绘画太赫兹图像（右）。

图4.（a）Preghiera圣母像的可见照片（b）Preghiera圣母像在0.5和1THz之间的综合光谱上的太赫兹图像。

太赫兹成像提供了有关绘画底层的信息，具有数十微米量级的开创性细节。

此外，太赫兹成像和光谱是用于检查药物固体剂型、片剂包衣和活性药物成分的两种强大的定量和定性非侵入性方法。例如，图5显示了THz区域包衣过程中8片相同包衣时间的片剂包衣层厚度的片间变化。

图5.每个片剂的平均包衣厚度与包衣时间的关系，插图显示了八片相同包衣时间为120分钟的包衣厚度图（μm）。明显的片剂间包衣厚度差异很大。太赫兹波段的潜力

在20世纪末和21世纪的第一个十年，当大量的太赫兹实验室实验正在进行时，研究人员主要集中在各种潜在的太赫兹应用上，并取得了非常有希望的成果。事实上，这些引人入胜的实验结果是许多研究人员深入研究太赫兹领域并从不同方面进行探索的巨大动力和动力。

由于近年来太赫兹研究领域的不断进步，太赫兹系统和应用正在一些商业应用中找到自己的位置。然而，为了让太赫兹波能够在现实世界场景中竞争和克服其他技术，必须解决和/或改进各种问题。例如，需要高功率和紧凑的太赫兹源，太赫兹测量系统应该小型化，需要更快的太赫兹光束扫描方法，太赫兹系统应该具有更低的成本。

另一个新兴的研究领域是太赫兹无线通信。这是特别需要的，因为它允许超过5G的高速无线通信。因此，需要各种研究来成熟并充分发挥太赫兹频段的潜力。