太赫茲科學技術研究的新進展

曾祥峰

摘要本文在太赫茲科學技術過去一段時間內科學成果的基礎上，對于其出現的新進展進行了簡單介紹，并對太赫茲科學技術將給各個領域帶來的發展進行了展望。

關鍵詞太赫茲；科學成果；研究新進展

中圖分類號TN21

文獻標識碼A

文章編號2095-636 3（2017）04-0014-01

1.太赫茲波的簡述及其特性

太赫茲波一般是指頻率為0.1THz～IOTHz（波長在0.03～3mm）波段的電磁波，它既影響到電子學又影響到光子學，處在兩者的過渡區域，因此對于學科之間的相互研究、融合有著很重要的價值。同時，太赫茲波還具有很好的特性：1）太赫茲波的光子能量很低，不會對物質產生損壞，適用于一些活體檢測項目；2）對水分子比較敏感，太赫茲成像技術因此可以檢測水分含量和水分分布情況；3）對介電材料和非極性物質的穿透性好，因此在各種需要安檢的地方有一定的效用；4）所包含的頻譜很寬，各種極性分子和生物大分子的轉動和振動頻率都在其覆蓋的波段，可以采用太赫茲波來進行這些分子的成分分析。這些特性都使得太赫茲波在各個領域的應用廣泛且處于科技前沿，特別是關系到社會和人類發展的生物學、醫學、航天、國防等領域，引起了一股對太赫茲科學技術的研究熱。

2.太赫茲科學技術研究的一些成果和進展

目前太赫茲科學技術研究主要體現在4個方面：太赫茲輻射源、太赫茲波的檢測和標定、太赫茲功能器件和太赫茲波的實際應用，下面將從這4個方面來說明過去一段時間內已經取得的頗有價值的各種研究成果。

2.1太赫茲輻射的產生

太赫茲輻射的產生一直以來是個難題，過去人們所知的產生方法受到的局限性比較明顯，無法得到高功率、低成本的太赫茲光源，因此人們在研究的過程中萌發了用其他光源來代替太赫茲光源的想法，就目前研究出的主要有3類光源。不相干的熱輻射光源、寬波段的脈沖光源和窄波段的連續波光源。第一種熱輻射光源雖然在現實中分布比較廣泛，一切能產生熱量的光源都包含在內，但是其光強成功率很低，實際使用的時候限制大。第二種寬波段的脈沖光源是基于光子學的太赫茲輻射源，比較常見的有光整流和光電導。第三種窄波段的連續波光源主要用于高頻譜分辨率方面，在通信領域特別是短距離通信和極寬頻帶的衛星通信方面應用比較多。

關于太赫茲輻射的產生還在不斷的研究中，除了以上幾種方法外，還出現了低頻微波振蕩器、氣體激光器等，其中半導體太赫茲輻射源具有小巧、價格低廉和頻率可調的特點，只是半導體器件的工作頻率比較難達到1THz以上，因此科學家們還在致力于這方面的研究，在最近的幾年中不斷突破，爭取能獲得推動整個太赫茲科學技術發展的成果。

2.2太赫茲波的檢測和標定

要開發和利用太赫茲波，自然需要先將太赫茲波檢測出來，而太赫茲波因為光源的低發射功率和比較高的熱背景，需要不斷提高接收的靈敏度，才能檢測得出。針對不同頻率的太赫茲波段，使用的檢測器往往有所差別，高端部分的檢測器應該靈敏度更好一些。現在對于寬波段最常使用的檢測方法是基于熱吸收的直接探測，常用裝置是熱輻射測量儀，靈敏度最高的是單光子探測器。在檢測速度方面，目前的檢測速度還有所限制，不過科學家們已經開始設想高速檢測并積極投入研究中。

2.3太赫茲功能器件

在形成太赫茲系統之時，要有太赫茲輻射的產生，還要有檢測器能夠檢測得出，最后還需要一些功能器件去進行內部連接，比如說傳輸系統和諧振系統等，這樣才能將太赫茲波真正應用到實際中去。在太赫茲傳輸中，最主要用到的就是以波導為基礎的太赫茲器件，因此，科學家們在這方面研制出不少產品，比如光子晶體波導、光子晶體光纖等。光子晶體是用來制造太赫茲功能器件的主要物質，其特性主要是可以引入雜質和缺陷，破壞其嚴格的周期結構，利用這些缺陷部分的變化，使得光子晶體各種性能得以實現。例如，利用光子晶體的局域態可以制備分束器等，而利用其某些獨特的光學特性，可以制備高效光放大器、無閾值激光器等。

2.4太赫茲波的實際應用

1）太赫茲科學技術在生物醫學中的應用。前面對于太赫茲波的特性描述中，我們就已經知道，太赫茲波的頻譜很寬，能覆蓋到大多數生物分子的波段，而且太赫茲波能量小，對于物質是不易造成損壞的，所以，利用太赫茲波可以了解生物分子內部運轉情況，并將這些作為理論基礎進行醫學上疾病的診斷和治療。在目前所知的生物研究中，主要分成以下幾類：（1）對有機體水平的研究，即利用活體大鼠進行試驗，來檢測太赫茲輻射能否引起血小板的功能活動；（2）對于離體組織和血液的研究，實驗者利用新鮮豬肉組織和蛋白組織來研究生物組織在太赫茲輻射下的損傷閾值，雖說其研究價值還有待考慮，但仍然為治療心絞痛等疾病提供了一定的參考作用；（3）細胞的體外研究，很早以前就有研究者證明了太赫茲輻射對細胞具有特殊作用，2002年又有科學家研究了酵母細胞在太赫茲輻射下的生長率問題。除了上述直接對生物分子的研究以外，太赫茲科學技術還廣泛應用于醫學氨基酸與多肽、DNA等的光譜研究中，同時，太赫茲成像技術對于癌癥的檢測、燒傷成像等都有顯著幫助。

2）太赫茲波在成像技術方面的應用。太赫茲成像技術主要分成脈沖太赫茲波成像和連續太赫茲波成像兩大類，脈沖太赫茲波成像多基于TDS技術，最大的特點就是信息量大，其主要應用在無損檢測、安檢質檢等領域，不足的地方在于數據獲取時間較長，而連續太赫茲波成像則不會延時掃描，成像的速度提升很多，并且它還具有小型、簡單、價格低等優點。除了上述的太赫茲成像類型，科學家們又相繼研制出太赫茲合成孔徑雷達成像、太赫茲干涉合成孔徑成像和太赫茲壓縮感知成像等，這些技術分別給無損檢測、天文學等領域帶來極大的進步。

3）太赫茲科學技術在軍事和安全領域的應用。在軍事領域，太赫茲波的可用性體現在可對爆炸物進行探測和鑒別、可進行無損檢測、可進行遠程探測與成像、可以用于太空通信，甚至還可以用于末端精確制導，由于太赫茲波具有波束窄、方向性強的特點，可將太赫茲波與常規的制導方式結合起來使用，在導彈接近目標之后，利用太赫茲波修正方向，可以提高導彈攻擊的精準度。在安全領域，各種公共場所的安檢自然是不用說，此外還可以進行生物藥品的檢測和毒品檢測，對于打擊恐怖分子和防范非法販毒有著非常重要的作用。

3.太赫茲科學技術的新發展

太赫茲科學技術是全世界范圍內都備受矚目的尖端科技，因此參與到其中的科學家們可以說遍布全世界，在過去幾年內太赫茲科學技術已經取得了飛速的發展，但追逐更多新技術的腳步仍然沒有停。激光引導編碼技術是美國近年研制出的，在推進單一像素太赫茲成像方面可謂獲得了重要進步；德國側重于研究太赫茲脈沖源，也取得了可喜的收獲；加拿大則開發出了寬帶太赫茲隔離器；我國在此項科學技術的研究上也不甘落后，研制出了首個室溫太赫茲白混頻探測器，可以說，太赫茲科學技術的新進展數不勝數，如此碩果累累的科學成就，將會對整個社會產生極其深遠的影響。

4.結論

太赫茲科學技術研究的重要性對于整個人類和全世界的發展不言而喻，因此，需要各個國家和科學家們都更加重視起來，不僅可以設想出更多關于太赫茲科學技術的理論，還要將其運用到實際中去，推動多個領域的發展。