一、太赫茲成像技術(shù)概念及原理解析

太赫茲技術(shù)簡介

太赫茲（Terahertz，1THz=1012Hz）泛指頻率在0.1～10THz波段內(nèi)的電磁波，位于紅外和微波之間，處于宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)的過渡階段。太赫茲輻射是0.1~10THz的電磁輻射，從頻率上看，在無線電波和光波，毫米波和紅外線之間；從能量上看，在電子和光子之間·在電磁頻譜上，太赫茲波段兩側(cè)的紅外和微波技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但是太赫茲技術(shù)基本上還是一個空白，其原因是在此頻段上，既不完全適合用光學(xué)理論來處理，也不完全適合微波的理論來研究。

太赫茲系統(tǒng)在半導(dǎo)體材料、高溫超導(dǎo)材料的性質(zhì)研究、斷層成像技術(shù)、無標(biāo)記的基因檢查、細(xì)胞水平的成像、化學(xué)和生物的檢查，以及寬帶通信、微波定向等許多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。研究該頻段的輻射源不僅將推動理論研究工作的重大發(fā)展，而且對固態(tài)電子學(xué)和電路技術(shù)也將提出重大挑戰(zhàn)。

遠(yuǎn)距離穿墻術(shù)，鑄就反恐作戰(zhàn)新利器。

如果問一下駐伊美軍最怕的是什么，那答案肯定是路邊炸彈，防不勝防的路邊炸彈，成了駐伊美軍不寒而栗的“頭號殺手”，以至于讓美國海軍陸戰(zhàn)隊司令邁克爾·哈吉認(rèn)為：“這種相對低級的武器將成為未來戰(zhàn)爭的一個標(biāo)志。”在美軍撤離伊拉克之前路邊炸彈造成的傷亡一度不絕于耳。與此同時，不斷發(fā)生的細(xì)菌郵件、包裹炸彈和自殺式襲擊也令人神經(jīng)緊繃。似乎在傳統(tǒng)威脅面前，高新技術(shù)也無能為力，事實真是如此嗎？太赫茲的穿墻透視能力或許能夠扭轉(zhuǎn)這種被動局面。

太赫茲的頻率很高、波長很短，具有很高的時域頻譜信噪比，且在濃煙、沙塵環(huán)境中傳輸損耗很少，可以穿透墻體對房屋內(nèi)部進(jìn)行掃描，是復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下尋敵成像的理想技術(shù)。未來城市及反恐作戰(zhàn)中，借助太赫茲特有的“穿墻術(shù)”，可以對“墻后”物體進(jìn)行三維立體成像，探測隱蔽的武器、偽裝埋伏的武裝人員和顯示沙塵或煙霧中的坦克、火炮等裝備，進(jìn)而撥開戰(zhàn)場迷霧。

另外，太赫茲成像技術(shù)在塑料兇器、陶瓷手槍、塑膠炸彈、流體炸藥和人體炸彈的檢測和識別上，更是“明察秋毫”，利用強(qiáng)太赫茲輻射照射路面，還可以遠(yuǎn)距離探測地下的雷場分布。如此，士兵們不需要再靠近可疑地段或人員便可以對其進(jìn)行檢查。與耗資較高、作用距離較短、無法識別具體爆炸物的X射線掃描儀相比，太赫茲成像具有獨特優(yōu)勢，目前已經(jīng)初步應(yīng)用于檢查郵件、識別炸藥及無損探傷等安全領(lǐng)域。

二、太赫茲波特征及應(yīng)用

1、太赫茲波特征

太赫茲技術(shù)之所以成為科學(xué)前沿關(guān)注的對象，是因為太赫茲處于電磁波段中的特殊位置，與其它波段的電磁波相比具有許多獨特的性能。

1.1、與短波長的電磁波相比：

（1）THz波的典型脈寬在亞皮秒量級，可以進(jìn)行亞皮秒、飛秒時間分辨的瞬態(tài)光譜研究，通過取樣測量技術(shù)，能夠防止背景輻射噪音的干擾。目前太赫茲輻射強(qiáng)度能夠得到的探測效果，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傅立葉變換紅外光譜的探測技術(shù)，并且太赫茲技術(shù)穩(wěn)定性也很高。

（2）太赫茲波源通常包含若干個周期的電磁振蕩，頻帶覆蓋范圍很寬。單個脈沖的頻帶可以達(dá)到GHz到幾十THz的范圍，可以在大范圍內(nèi)分析研究物質(zhì)的光譜特性。

（3）太赫茲輻射的產(chǎn)生機(jī)制決定了THz波具有很高的時間和空間相干性。而運用太赫茲時域光譜技術(shù)可以直接測量出太赫茲電場的振幅和相位，更為方便地提取測量樣品的相關(guān)物理信息。

（4）太赫茲波段中正好對應(yīng)許多特定材料的能隙，他們的太赫茲光譜會存在明顯的特征吸收。比如許多有機(jī)大分子、違禁易爆品等對THz波呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收和色散特性；利用THz波特有的光譜特征可做指紋識別。所以生物探測、危險爆炸物品檢測將成為太赫茲技術(shù)重要發(fā)展前景之一。

（5）THz波的光子能量很低，約為x射線光子能量的1/10，更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于各種化學(xué)健的鍵能，因此它對活體生物組織不會造成電離損傷。可以應(yīng)用THz技術(shù)研究酶的特性、進(jìn)行DNA鑒別等。另外由于水分子、氨分子等大多數(shù)極性分子對太赫茲波有非常強(qiáng)烈的吸收，所以太赫茲波不能穿透人體的皮膚，因此即使很強(qiáng)烈的太赫茲輻射，它對人體的影響也僅僅停留在皮膚表層，而不像微波那樣直接穿透到人體的內(nèi)部。這一點可以應(yīng)用在對旅客身體以及生物樣品的探測檢查，可做為X射線成像檢測手段的有益補(bǔ)充。

（6）THz輻射對于很多非極性物質(zhì)，如電介質(zhì)材料及塑料、陶瓷、紙箱、布料、硅片、干木材等材料有很強(qiáng)的穿透能力，可用來對已經(jīng)包裝的物品進(jìn)行質(zhì)檢或者用于今后的安全檢查。THz波的這些特殊性使發(fā)展THz技術(shù)具有了重要的意義。

1.2、與長波長的電磁波相比：

（1）與微波相比，THz波的頻率則更高，相同條件下通信傳輸?shù)娜萘靠梢愿螅虼嗽谧鳛橥ㄐ泡d體時，單位時間內(nèi)THz波可以承載更多的信息量，同時由于太赫茲波的波長更短，實施同樣的傳輸功能的情況下，可以把天線的尺寸做得更小，那么相應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)備也可以做得更簡單、更經(jīng)濟(jì)，從而節(jié)省成本。

（2）由于THz波波長更短、波束更窄，它的方向性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于微波，成像應(yīng)用中則具有更高的空間分辨率，或者在保持同等空間分辨率時能夠具有更長的景深。這一點可以用來探測更小的目標(biāo)，在天文及軍事領(lǐng)域可用于更精確地定位。

（3）與微波相比，THz波具有更好的保密性和抗干擾能力。綜上這些優(yōu)勢，THz在中短距離、高容量、無線通信技術(shù)中具有很強(qiáng)應(yīng)用潛力。

小編推薦：脈沖太赫茲波成像與連續(xù)波太赫茲成像特性的比較

2、太赫茲波應(yīng)用

這些獨特的性質(zhì)賦予了THz波廣泛的應(yīng)用前景，使它在在基礎(chǔ)研究、天體物理學(xué)、等離子體物理與工程、材料科學(xué)與工程、生物醫(yī)學(xué)工程、環(huán)境科學(xué)工程、光譜與成像技術(shù)，乃至現(xiàn)代通信技術(shù)等領(lǐng)域都展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。目前，國內(nèi)外眾多科研機(jī)構(gòu)相繼開展了THz技術(shù)的研究，在工業(yè)領(lǐng)域，已有數(shù)百公司參與或資助了太赫茲的研究工作，他們則是瞄準(zhǔn)了太赫茲有“無損傷探測”的商業(yè)利用價值。國內(nèi)外眾多機(jī)構(gòu)在THz技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的研究己取得了許多有價值的成果。

太赫茲成像技術(shù)和太赫茲波譜技術(shù)由此構(gòu)成了太赫茲應(yīng)用的兩個主要關(guān)鍵技術(shù)。同時，由于太赫茲能量很小，不會對物質(zhì)產(chǎn)生破壞作用，所以與X射線相比更具有優(yōu)勢。

THz時域光譜技術(shù)

目前已經(jīng)開始商業(yè)化運作，世界范圍內(nèi)已經(jīng)有多家企業(yè)開始生產(chǎn)商用THz時域光譜儀，主要是中國，美國，歐洲和日本的廠家。THz時域光譜技術(shù)的基本原理是利用飛秒脈沖產(chǎn)生并探測時間分辨的THz電場，通過傅立葉變換獲得被測物品的光譜信息，由于大分子的振動和轉(zhuǎn)動能級大多在THz波段，而大分子，特別是生物和化學(xué)大分子是具有本身物性的物質(zhì)集團(tuán)，進(jìn)而可以通過特征頻率對物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物性進(jìn)行分析和鑒定。一個比較重要的應(yīng)用可以作為藥品質(zhì)量監(jiān)管。設(shè)想一下制藥廠的流水線上安裝一臺THz時域光譜儀，從藥廠出廠的每一片藥都進(jìn)行光譜測量，并與標(biāo)準(zhǔn)的藥物進(jìn)行光譜對比，合格的將進(jìn)入下一個環(huán)節(jié)，否則在流水線上將劣質(zhì)藥片清除掉，避免不同藥片或不同批次藥片的品質(zhì)差異，保證藥品的品質(zhì)。

THz成像技術(shù)

跟其他波段的成像技術(shù)一樣，THz成像技術(shù)也是利用THz射線照射被測物，通過物品的透射或反射獲得樣品的信息，進(jìn)而成像。THz成像技術(shù)可以分為脈沖和連續(xù)兩種方式。前者具有THz時域光譜技術(shù)的特點。同時它可以對物質(zhì)集團(tuán)進(jìn)行功能成像，獲得物質(zhì)內(nèi)部的折射率分布。例如葵花籽可以和容易獲得葵花子的內(nèi)部信息。圖3-4給出了葵花籽樣品的實物照片和相應(yīng)方法重構(gòu)的THz透射圖像，能清晰地分辨果殼的輪廓和隱藏在果殼中果仁的形狀，這是最希望的。同樣，如果樣品是人的牙齒，那么牙齒的正常部分與損蛀部分將很容易的區(qū)分開，同時不必照射x射線，對人體沒有附加傷害。

安全檢查

利用安全檢查應(yīng)該說是現(xiàn)階段最吸引人的THz技術(shù)，它的本質(zhì)原理是THz成像，目前由于目前主要采用連續(xù)波THz源，而且又由于它要解決的是目前最受人關(guān)注的反恐、緝毒等最讓人關(guān)注的問題，所以單列出來。目前英國發(fā)展的THz安檢設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入試用階段。由于THz射線的穿透性和對金屬材料的強(qiáng)反射特性，并且THz的高頻率使得成像的分辨率更高，所以可以很容易看到隱藏在衣物、鞋內(nèi)的刀具、槍械等物品。同時如果結(jié)合THz的物質(zhì)鑒別特性，能夠區(qū)分你身上是否攜帶炸藥或毒品。首都師范大學(xué)THz實驗室已經(jīng)建立了常見的炸藥和毒品的數(shù)據(jù)譜庫，可以設(shè)想再過幾年，可以真正在機(jī)場見到真正的THz安檢的設(shè)備。另外，世界范圍內(nèi)引起社會動蕩的自殺式炸彈恐怖襲擊，也可以利用THz安檢設(shè)備進(jìn)行防范。因為站崗的可以不再是士兵或保安人員，而是THz安檢儀，人們不需要靠近可疑分子就可以對其進(jìn)行檢查。

THz雷達(dá)

實際上也是成像的一種。鑒于大氣中水分對THz射線的強(qiáng)吸收作用，所以近距離雷達(dá)是THz射線的優(yōu)勢所在。一個非常讓人向往的應(yīng)用是穿墻雷達(dá)和探雷雷達(dá)，當(dāng)然也可以用于抗震救災(zāi)中遇難者的搜救，目前還處于研發(fā)階段。這是由于墻壁，木材等材料對THz透過，而人體包含大量水分，不透過THz，因此可以透過墻壁偵查到屋內(nèi)的人員的分布和活動，將反恐怖反綁架起到深遠(yuǎn)的影響，同理也可以用于廢墟下人體的尋找。而探雷雷達(dá)是由于地雷一般在地表或地表附近，而干燥的泥土可以透過THz射線，而地雷將會把THz射線反射回來，從而可以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。

天文學(xué)

在宇宙中，大量的物質(zhì)在發(fā)出THz電磁波。炭（C）、水（H2O）、一氧化碳（CO）、氮（N2）、氧（O2）等大量的分子可以在THz頻段進(jìn)行探測。而這些物質(zhì)在應(yīng)用THz技術(shù)以前一部分根本無法探測而另一部分只能在海拔很高或者月球表面才可以探測到。

通信技術(shù)

THz用于通信可以獲得10GB/s的無線傳輸速度，特別是衛(wèi)星通信，由于在外太空，近似真空的狀態(tài)下，不用考慮水分的影響，這比當(dāng)前的超寬帶技術(shù)快幾百至一千多倍。這就使得THz通信可以以極高的帶寬進(jìn)行高保密衛(wèi)星通信。雖然由于缺乏高效的THz發(fā)射天線和源，使其還無法在通信領(lǐng)域商業(yè)化，但這必將由新型的發(fā)射裝置和發(fā)射源所解決。

太赫茲輻射

德國研究人員利用超級計算機(jī)計算發(fā)現(xiàn)，利用強(qiáng)烈的太赫茲輻射，可實現(xiàn)在不到萬億分之一秒內(nèi)瞬間將微量水燒開。

太赫茲輻射是指頻率從0．1太赫茲到10太赫茲，波長介于毫米波與紅外線之間的電磁輻射區(qū)域。一太赫茲等于一千億赫茲。

德國電子同步加速器研究所報告說，強(qiáng)烈的太赫茲輻射可引發(fā)水分子劇烈震動，打斷水分子間的氫鍵。這種方法可將約一納升（十億分之一升）水在半皮秒（一皮秒為一萬億分之一秒）內(nèi)加熱至600攝氏度。

報告指出，一納升水雖然聽起來不多，但對很多實驗來講已經(jīng)足夠。一皮秒比一眨眼的時間還要快很多，因此這種燒開水的方法可稱得上是迄今最快的。

雖然這一“燒水”法尚未投入實踐，但研究人員表示，水在許多化學(xué)與生物過程中扮演重要角色，新發(fā)現(xiàn)或可為化學(xué)與生物領(lǐng)域提供更多實驗可能。

生物醫(yī)學(xué)

中國工程院院士杜祥琬院士指出，在所有物理技術(shù)中，電磁波技術(shù)對醫(yī)學(xué)的促進(jìn)作用尤其突出。從1901年X線獲得第一屆諾貝爾物理學(xué)獎開始，已有5項與生物醫(yī)學(xué)相關(guān)的諾貝爾獎授予了X光譜技術(shù)領(lǐng)域。

太赫茲技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用，生物大分子相互作用是重大生命現(xiàn)象與病變產(chǎn)生的關(guān)鍵動因，而太赫茲光子能量覆蓋了生物大分子空間構(gòu)象的能級范圍。該頻段包含了其他電磁波段無法探測到的直接代表生物大分子功能的空間構(gòu)象等重要信息。因此，可以發(fā)展一種利用太赫茲探測和干預(yù)生物大分子相互作用過程的新理論和新技術(shù)，為當(dāng)前重大疾病診斷、有效干預(yù)提供先進(jìn)的技術(shù)手段。

中國工程物理研究院流體物理研究所李澤仁研究員也表示，目前通過國家對太赫茲源、探測器及成像系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)與儀器設(shè)備的大力支持，我國已基本具備開展太赫茲生物醫(yī)學(xué)研究的基礎(chǔ)。

其他

此外，太赫茲在半導(dǎo)體材料、高溫超導(dǎo)材料的性質(zhì)研究等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。研究該頻段不僅將推動理論研究工作的重大發(fā)展，而且對固態(tài)電子學(xué)和電路技術(shù)也將提出重大挑戰(zhàn)。

目前，籠統(tǒng)的說THz技術(shù)的研究主要圍繞三大部分內(nèi)容展開，THz產(chǎn)生源、THz探測和應(yīng)用研究。目前最大的困難還是沒有高功率便攜式連續(xù)可調(diào)的成本較低的THz發(fā)射源和滿足現(xiàn)實要求的濾光片，另外也沒有能夠常溫下直接探測太赫茲射線的被動式探測器。