太赫兹 tera-hertz.doc

电子科学与技术新进展
──太赫兹技术
精仪学院 电科一班 孙甫 3010202200
1、谈谈你对太赫兹科学与技术的认识
什么是太赫兹波
太赫兹波（Terahertz Wave ），是指频率在0.1-10THz范围内的电磁波（1THz=1012Hz），其波段位于电磁波谱中毫米波和远红外光之间（30μm-3mm，所以亦有文献称其为亚毫米波），是光子学技术与电子学技术、宏观与微观的过渡区域。太赫兹波频段是一个非常具有科学研究价值但尚未充分研究开发的电磁辐射区域。虽然早在上个世纪20年代就有人对太赫兹辐射产生了浓厚的科学兴趣，但其产生和探测技术与十分成熟的微波、光学技术相比仍然十分落后，科研工作者苦于能找到具有高能量、高效率、低造价、且能在室温下稳定运转的THz波辐射源，这就成为限制现代太赫兹技术发展的最主要因素。所以直到上个世纪80年代中期以前，人们对这个频段的电磁波特性知之甚少，形成了远红外线和毫米波之间所谓的“太赫兹空白隙”（Terahertz Gap）

太赫兹波的产生
THz波辐射可以利用光学技术和电子学技术两种方法来产生。电子学方法产生THz波的进步主要依赖于微电子制造技术领域的发展。目前，常见的电子技术产生THz波的方法有反向波振荡器（BWO），它可以在亚太赫兹区域产生频率连续调谐的相干输出。其它基于电子学振荡的THz辐射源还有耿氏（Gunn）振荡器、布洛赫（Bloch）振荡器等，它们与反向波振荡器一样，都具有体积小、结构紧凑等优点，但都尚未实用化、商业化。近些年来被誉为中远红外波段激光技术革命、具有量子阱结构的量子级联激光器，通过能带设计，其输出范围也逐渐进入了THz波段。属于真空电子学范畴的自由电子激光器，理论上可以产生从远红外到硬X射线全波段的相干辐射，而且具有频谱范围广、峰值功率和平均功率高、可连续调谐以及相干性好等优点。光学方法目前主要有THz波气体激光器，与超短激光脉冲有关、能产生宽带亚皮秒THz辐射的光整流、光电导和等离子体四波混频等方法，还有非线性光学差频方法，以及与晶格振动有关的太赫兹波参量振荡方法。但是与十分成熟的微波、光学技术相比仍然十分落后，因此研制出高功率、高能量、高效率且能在室温下稳定运转、宽带可调的THz辐射源，并能将其方便、灵活地运用于科研工作和实际生活中，已经成为21世纪科研工作者追求的目标和迫切需要解决的实际问题。
太赫兹波与其它频段的波有什么区别
物质在THz波频段的发射、反射和透射光谱中包含有丰富的物理和化学信息，并且THz波辐射源与传统光源相比,具有一些独特、优异的特性。THz 脉冲的典型脉宽在皮秒量级，THz 脉冲有很高的峰值功率，并且采用相干探测技术获得的是THz 脉冲的实时功率而不是平均功率，因此有很高的信噪比。THz 脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从GHz 直至几十THz 的范围，因此THz 时域光谱技术作为探测材料在THz 波段信息的一种有效的手段，非常适合于测量材料吸收光谱，可用于进行定性鉴别的工作。THz 光子的能量低，只有几毫电子伏特，因此不容易破坏被检测物质。许多的非金属非极性材料对THz 射线的吸收较小，因此结合相应的技术，使得探测材料内部信息成为可能。另外太赫兹技术还有许多独特的特性，如在非均匀的物质中有较少的散射，能够探测和测量水汽含量等等。正是因为THz波的这些独特的性质，它将给我们生活中的许多领域带来深远的影响，进而改变人们的生活。

2、如果你现在开始从事太赫兹科学与技术的研究、开发或应用，谈谈你所具备的知识背景，哪些方面希望得到加强
太赫兹(THz)技术涉及电磁学、光电子学、半导体物理学、材料科学以及通信等多个学科。它在信息科学、生物学、医学、天文学、环境科学等领域有重要的应用价值。
知识背景
因为THz 脉冲的典型脉宽在皮秒量级，其超高的时域分辨率可以方便地进行时间分辨的研究。例如：利用THz很高的时域分辨率研究CdSe光导量子过渡现象，研究Ti02纳米晶格中载流子的输运过程，以及研究调控原子／分子的无辐射量子跃迁等方面均取得了重要的新成果。
THz 脉冲有很高的峰值功率，但是脉冲THz 辐射通常只有较低的THz 射线平均功率，而且采用相干探测技术获得的是THz 脉冲的实时功率而不是平均功率，因此有很高的信噪比。目前，在时域光谱系统中的信噪比可达10^5或更高。
THz 脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从GHz 直至几十THz 的范围，许多生物大分子的振动和转动能级，电介质、半导体材料、超导材料、薄膜材料等的声子振动能级落在THz 波段范围，而THz辐射技术又可提取DNA的重要信息，因此，THz在植物，特别是粮食选种，优良菌种的选择等方面可以起重要的作用。总之太赫兹科学技术对农业、食品加工等行业有重要意义。并且由于THz 光子的能量低，辐射对人体和其它的物质基本没有任何损害，THz在生物医学上的应用具有很大的吸引力。在皮肤癌的诊断和治疗，DNA的探测，THz的医学应用，THz断层成像，THz生物化学应用，药物的分析和检测等方面都显示了其强大的功能和成效。
利用THz可以穿透物质的特性，英国首先研制了THz摄像机并且已在机场安全检查方面进行试用，效果很好。特别重要的是美国橡树岭国家实验室（ORNL）和田纳西大学合作，开展“穿墙计划（Through wall Program）”，利用THz成像技术从外部获得墙内信息。显然，这项穿墙技术在国家安全方面有很重要的价值。此外，利用THz波谱可以快速、有效的检查和识别毒品，美国已开展用THz谱技术检查邮件等项目，包括THz化学和生物制品的检测。太赫兹对各种爆炸物和指纹，都有非常清晰的成像功能。与目前机场的常规安检设备相比，采用太赫兹安检技术的最大优点在于安全性好，因为太赫兹能量小、震动与转动谱可用光学与化学进行探测、辐射量极小，其对人体的辐射能量比X光小100万倍，因此不会对人体造成脱发等辐射性伤害。可以看出，THz在国家安全、反恐方面的应用有着独特的优势。
从上面的一些应用可以看出，由于太赫兹的频率很高，所以其空间分辨率也很高；又由于它的脉冲很短（皮秒量级）所以具有很高的时间分辨率。太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术由此构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。另外，由于THz波的一些其它性质，它还有许多其它的应用。
例如：THz量子光学及量子计算机应用及强磁场下半导体的THz辐射等方面都作出了很突出的成就；利用强功率THz辐射可激发起物质内部原子及分子的非线性动力学过程，从而利用大功率超短脉冲THz可以在分子水平上研究物质的非线性特性。
又比如：THz在等离子体检测方面也有重要的优势。利用THz辐射可以探测出高温、高密度等离子体中密度的空间分布。THz在天文学研究上的应用显得很突出，科学家们在南极建立了一个移动天文站，利用THz望远镜观察到很多重要的新星体，对于研究宇宙的起源和星体的形成有重要的意义(值得一提的是我国在2005年初，也在南极建立了一个研究站)。
因此，国际科技界认为，THz波可能引发科学技术的革命性发展。
总结
综上所述，太赫兹波在物理、化学、天文学、生命科学和医药科学等基础研究领域，以及安全检查、医学成像、环境监测、食品检验、射电天文、卫星通信和武器制导等应用研究领域均具有巨大的科学研究价值和广阔的应用前景。但是我们也应该清醒的认识到，太赫兹技术的研究还存在许多不完善的地方，比如说目前最大的困难还是没有高功率便携式连续可调的成本较低的THz发射源和满足现实要求的滤光片，另外也没有能够常温下直接探测太赫兹射线的被动式探测器。还有，太赫兹波的传输是太赫兹波通信系统研究中的一个重要组成部分，由于太赫兹波在自由空间中的传输损耗很大，从某种意义上说很难对它加以引导和控制。为了克服这个困难，急需可以传播太赫兹波的波导。如此种种，我们可以看到太赫兹做为一种新的有很多独特优点的辐射源，它仍然需要我们进行很多的努力才能最终带来真正的革命。做为新一代的科研主力军，我们任重而道远，我们应该全方面的增加自己的知识储备，尤其注意目前太赫兹技术研究的难关，为取得科学技术的新进展而努力！