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太赫茲簡(jiǎn)介及特點(diǎn)

閱讀:729        發(fā)布時(shí)間:2016-5-27

 

         THz波(太赫茲波)或成為T(mén)Hz射線(xiàn)(太赫茲射線(xiàn))是從上個(gè)世紀(jì)80年代中后期,才被正式命名的,在此以前科學(xué)家們將統(tǒng)稱(chēng)為遠(yuǎn)紅外射線(xiàn)。太赫茲波是指頻率在0.1THz到10THz范圍的電磁波,波長(zhǎng)大概在0.03到3mm范圍,介于微波與紅外之間。實(shí)際上,早在一百年前,就有科學(xué)工作者涉及過(guò)這一波段。在1896年和1897年,Rubens和Nichols就涉及到這一波段,紅外光譜到達(dá)9um(0.009mm)和20um(0.02mm),之后又有到達(dá)50um的記載。之后的近百年時(shí)間,遠(yuǎn)紅外技術(shù)取得了許多成果,并且已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化。但是涉及太赫茲波段的研究結(jié)果和數(shù)據(jù)非常少,主要是受到有效太赫茲產(chǎn)生源和靈敏探測(cè)器的限制,因此這一波段也被稱(chēng)為T(mén)Hz間隙。

        隨著80年代一系列新技術(shù)、新材料的發(fā)展,特別是超快技術(shù)的發(fā)展,使得獲得寬帶穩(wěn)定的脈沖THz源成為一種準(zhǔn)常規(guī)技術(shù),THz技術(shù)得以迅速發(fā)展,并在實(shí)際范圍內(nèi)掀起一股THz研究熱潮。2004年,美國(guó)政府將THz科技評(píng)為“改變未來(lái)世界的技術(shù)”之四,而日本于2005年1月8日更是將THz技術(shù)列為“國(guó)家支柱重點(diǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)”,舉全國(guó)之力進(jìn)行研發(fā)。我國(guó)政府在2005年11月專(zhuān)門(mén)召開(kāi)了“香山科技會(huì)議”,邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)多位在THz研究領(lǐng)域有影響的院士專(zhuān)門(mén)討論我國(guó)THz事業(yè)的發(fā)展方向,并制定了我國(guó)THz技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃。另外,美國(guó)、歐洲、亞洲、澳大利亞等許多國(guó)家和地區(qū)政府、機(jī)構(gòu)、企業(yè)、大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)紛紛投入到THz的研發(fā)熱潮之中。THz研究領(lǐng)域的*之一,美國(guó)學(xué)者張希成博士稱(chēng):“Next ray,T-Ray !”。

        目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有多家研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展太赫茲領(lǐng)域的相關(guān)研究,其中首都師范大學(xué),是入手較早,投入較大的一家,并且在毒品和*太赫茲光譜、成像和識(shí)別方面,利用太赫茲對(duì)非極性航天材料內(nèi)部缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)方面做出了許多開(kāi)拓性的工作,同時(shí)由于太赫茲射線(xiàn)在安全檢查方面的*優(yōu)勢(shì),首都師范大學(xué)太赫茲實(shí)驗(yàn)室正集中力量研發(fā)能夠用于實(shí)景測(cè)試的安檢原型設(shè)備。
 
       目前,上對(duì)太赫茲輻射已達(dá)成如下共識(shí),即太赫茲是一種新的、有很多*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*的性質(zhì)。
 
       人們關(guān)注THz技術(shù)的原因是THz射線(xiàn)普遍存在,是人們認(rèn)識(shí)自然界的有效線(xiàn)索和工具。但是相對(duì)于其他波段的電磁波比如紅外和微波,對(duì)它的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用非常匱乏。
 
THz射線(xiàn)的主要特點(diǎn):
 
(1)是THz 脈沖的典型脈寬在皮秒量級(jí),不但可以方便地進(jìn)行時(shí)間分辯的研究,而且通過(guò)取樣測(cè)量技術(shù),能夠有效地抑制遠(yuǎn)紅外背景噪聲的干擾。目前,脈沖THz 輻射通常只有較低的THz 射線(xiàn)平均功率,但是由于THz 脈沖有很高的峰值功率,并且采用相干探測(cè)技術(shù)獲得的是THz 脈沖的實(shí)時(shí)功率而不是平均功率,因此有很高的信噪比。目前,在時(shí)域光譜系統(tǒng)中的信噪比可達(dá)105或更高。
 
(2)是THz 脈沖源通常只包含若干個(gè)周期的電磁振蕩,單個(gè)脈沖的頻帶可以覆蓋從GHz 直至幾十THz 的范圍,許多生物大分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí),電介質(zhì)、半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)材料、薄膜材料等的聲子振動(dòng)能級(jí)落在THz 波段范圍。因此THz 時(shí)域光譜技術(shù)作為探測(cè)材料在THz 波段信息的一種有效的手段,非常適合于測(cè)量材料吸收光譜,可用于進(jìn)行定性鑒別的工作。
 
(3) THz 光子的能量低,只有幾毫電子伏特,因此不容易破壞被檢測(cè)物質(zhì)。
 
(4) 許多的非金屬非極性材料對(duì)THz 射線(xiàn)的吸收較小,因此結(jié)合相應(yīng)的技術(shù),使得探測(cè)材料內(nèi)部信息成為可能。例如,陶瓷,硬紙板,塑料制品,泡沫等對(duì)THz 電磁輻射是透明的,因此THz 技術(shù)可以作為x射線(xiàn)的非電離和相干的互補(bǔ)輻射源,用于機(jī)場(chǎng)、車(chē)站等地方的安全監(jiān)測(cè),比如探查隱藏的走私物品包括槍械、爆炸物、和毒品等,以及用于集成電路焊接情況的檢測(cè)等。極性物質(zhì)對(duì)THz 電磁輻射的吸收比較強(qiáng),特別是水,THz 光譜技術(shù)中應(yīng)采取各種措施避免水分的影響,不過(guò)在THz 成像技術(shù)中,可以利用這一特性分辨生物組織的不同狀態(tài),比如動(dòng)物組織中脂肪和肌肉的分布,診斷人體燒傷部位的損傷程度,及植物葉片組織的水分含量分布等。太赫茲成像技術(shù)與其他波段的成像技術(shù)相比,它所得到的探測(cè)圖像的分辨率和景深都有明顯的增加(超聲、紅外、X-射線(xiàn)技術(shù)也能提高圖像分辨率,但是毫米波技術(shù)卻沒(méi)有明顯的提高)。另外太赫茲技術(shù)還有許多*的特性,如在非均勻的物質(zhì)中有較少的散射,能夠探測(cè)和測(cè)量水汽含量等等。
 
        太赫茲光譜技術(shù)不僅信噪比高,能夠迅速地對(duì)樣品組成的細(xì)微變化作出分析和鑒別,而且太赫茲光譜技術(shù)是一種非接觸測(cè)量技術(shù),使它能夠?qū)Π雽?dǎo)體、電介質(zhì)薄膜及體材料的物理信息進(jìn)行快速準(zhǔn)確的測(cè)量。

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