太赫茲技術的優越特性以及應用（三）

太赫茲技術的國內外發展狀況

自1896年和1897年，Rubens和Nichols開始對太赫茲波段進行先期探索，太赫茲技術已經有一百多年的歷史，在這一百多年間太赫茲科學與技術得到了初步的發展，許多重要理論和初期的太赫茲器件相繼問世[3]。現代太赫茲科學與技術的真正發展則是在20世紀80年代中期，隨著一系列新技術、新材料的發展，特別是超快技術的發展，使得獲得寬帶穩定的脈沖太赫茲源成為一種常規技術，太赫茲技術也從此得以迅速發展。

根據太赫茲輻射的重大應用前景，從20世紀90年代中期開始美國國家基金會、航天局、國防部和國家衛生學會等政府或軍事部門，對太赫茲科學研究項目持續提供了較大規模的資金支持，太赫茲技術被美國評為“改變未來世界的十大技術”之一。歐洲國家除了各國自己所支持的研究項目以外，還利用歐盟的資金共同組織了跨國界、多學科、大型的合作研究項目，如Teravision、THz-Bridge、STARTIGER等。

日本政府近年來對太赫茲科研的投入大量經費，并于2005年1月8日將太赫茲科技列為“國家支柱技術十大重點戰略目標”之首。目前，世界上約有130多家研究機構開展了相關的光電子材料、太赫茲激光器、太赫茲光譜學及相關生物醫學成像等研究。

不同于微波毫米波和紅外線領域，在太赫茲方面，我國與國外差距較小。2005 年，科技部、中國科學院、國家自然科學基金委聯合召開的以“太赫茲科學技術”為主題的科學會議，成為我國太赫茲研究工作的里程碑。至今，國內已有 30 多家單位從事太赫茲科學技術研究工作，正逐漸在國際太赫茲科學技術的研究中占有一席之地。

伴隨著材料學、半導體技術的發展，國內逐漸擁有了研究太赫茲技術的基礎條件，科研人員也克服了重重困難，取得了非常可喜的成就。單從論文發表的數量上，我國已經達到世界較為領先的地位，但是從科研到產業化的速度和能力，與歐美國家還存在較大差距。

至今除了航天、國防領域以外，太赫茲技術的大范圍應用并沒有如期而至，民用消費行業內大規模應用似乎仍然遙遙無期。唯有北京航天易聯科技發展有限公司的太赫茲安檢系統在G20上的出現讓人眼前一亮。遺憾的是，從測試的具體效果來看，還是和TeraView，Brijiot， ThruVision，TeraSense等歐美公司有較大的差距。

產業的投資可以說并不比歐美遜色，科研機構幾乎覆蓋了太赫茲領域的方方面面，從基礎材料，單個探測器，發射器組件，到系統級整合應用都有所涉及。同時國內的的科研單位和研發企業的迅猛發展，讓太赫茲測試測量領域的美國巨頭VDI（Virginia Diodes，Inc）也感到了壓力，不顧企業利潤，向國內停售了起絕大部分高性能設備及系統。

太赫茲技術的應用

太赫茲波兼具微波和紅外的優異特性，同時包含了豐富的物理和化學信息，廣泛應用于醫學、雷達通訊、軍事、航空航天、天文觀測等領域。太赫茲科學技術是電磁學、激光物理學、半導體物理學等多個學科的交叉技術，并且為這些學科的研究提供了新的研究方法和手段，在基礎物理學中發揮著舉足輕重的作用。

1、太赫茲波成像技術

太赫茲成像技術相對于可見光和X射線有非常強的互補特征，其穿透能力介于兩者之間，又不會對人體或生物組織造成傷害。太赫茲波在材料研究、安檢、生物和醫學中的各種成像應用是目前開展得最廣泛的研究。

太赫茲波成像技術可以利用相位信息進行成像，許多干電介物質對太赫茲波段基本是透明的，但是折射率不同會引起太赫茲波相位的變化，從而實現對不同材料的鑒別。例如使用太赫茲波成像技術在車站、機場對行李或旅客進行安檢就非常理想，它可以準確地檢查刀具、槍支、炸藥及非法藥品毒品等。對細胞水平的生物組織進行成像，主要是測量不同組織及其含水量對太赫茲波的吸收引起能量的變化，例如皮癌即及其它組織表層病變的早期診斷等。

通過太赫茲TDS技術還可以同時探測太赫茲波的相位和振幅變化信息，可以實現對材料光譜特性的研究，例如測定摻雜半導體載流子的富集度和遷移率和研究高溫超導材料的特性等。

2、太赫茲雷達和通訊技術

太赫茲輻射具有比微波更短的波長及更高的時間精度，依此原理研制的太赫茲雷達可對目標進行敏感探測與監視，太赫茲雷達在國家安全和保護領域具有廣闊的應用前景。

THz頻段的波長遠小于通常的微波及毫米波頻段的波長,適合于極大信號帶寬和極窄天線波束的實現,有利于實現目標的高分辨率成像,且物體運動引起的多普勒效應更為顯著,更利于檢測目標的運動特征。這些特點使得THz雷達探測系統具有微小目標探測、極高分辨率的目標成像識別能力。雖然THz頻段的大氣衰減比較嚴重,但在太空環境下THz頻段的衰減會大大降低,因此THz探測系統在太空環境更容易實現高分辨目標探測。

太赫茲通信是指用太赫茲波作為信息載體進行的空間通信。因為太赫茲波介于微波與遠紅外光之間，處于電子學向光子學的過渡領域，所以它集成了微波通信與光通信的優點。

相對于微波通信而言：l）太赫茲通信傳輸的容量更大。太赫茲波的頻段在108~1013Hz之間，可提供高達10GB/s的無線傳輸速率； 2）太赫茲波具有更好的保密性及抗干擾能力；3）太赫茲波束更窄、方向性更好、可以探測更小的目標以及更精確地定位；4）由于太赫茲波波長相對更短，在完成同樣功能的情況下，天線的尺寸可以做得更小，其他的系統結構也可以做得更加簡單、經濟。

相對于光通信而言；1）用光子能量約為可見光的1/40的THz波作為信息載體，能量效率更高；2）THz波具有更好的穿透沙塵煙霧的能力，它可以實現全天候的工作。太赫茲波在通過大氣時，由于水蒸氣而導致的強吸收、低效率以及在目前可選的THz源中相對低發射功率會給太赫茲通信帶來明顯的不利影響，但是，隨著高功率的太赫茲光源、高靈敏度的探測技術及高穩定性系統的日益突破，占有很多優勢的太赫茲通信必將指日可待。

THz通信特別適合作衛星間、星地間及局域網的寬帶移動通訊。將來利用太赫茲無線網絡下載一部DVD電影幾乎是“彈指一揮間”，幾秒鐘即可完成。太赫茲與可見光和紅外線相比，它同時具有極高的方向性及較強的云霧穿透能力，使得太赫茲通信可以以極高的帶寬在戰場中進行定向、高保密甚至明碼軍事通信。

3、太赫茲波在航天材料領域的應用

在材料鑒定方面，大多數分子均有相應的太赫茲波段的“指紋”特征譜，研究材料在這一波段的光譜對于物質結構的性質以及揭示新的物質有著重要的意義。太赫茲技術非常適合于用來分析分子，可以通過太赫茲波激發并探測“分子振動旋轉狀態”來進行光譜分析。它能有效地激發分子進入各種共振模式，使分子振動或轉動。在這一過程中，分子吸收能量，在光譜儀中生成某段頻率的吸收譜線，然后就可以據此判斷出其中含有那些分子。因此，可以使用太赫茲分析他國衛星的組成、結構甚至材料。

由于太赫茲波有較強的穿透率，并且其光子能量低，只有幾個毫電子伏特，穿透時不易發生電離，因而可用于安全的無損檢測。尤其是對一些塑料泡沫等絕緣材料內部的缺陷和裂紋等進行無損檢測和成像，在戰略導彈及航空、航天結構材料的檢測和評估方面具有重要的應用價值。如對航天飛機燃料艙的隔熱材料進行有效的無損探傷，已被美國宇航局選擇為發射中缺陷檢測的技術之一。 美國使用了一套基于光學技術的太赫茲波系統，充分證明了太赫茲波可以對航天器燃料艙的隔熱材料進行有效的無損探傷。

4、太赫茲波在生物醫學方面的應用

由于太赫茲波能量低，不會對生物體產生電離危害，能對患者進行無損檢測和篩查。另一方面，太赫茲波對水相中物質水含量或者化學物質的微小變化極其敏感，不同樣本水含量的差異有利于太赫茲醫學診斷研究。太赫茲技術能夠檢測出經過脫水處理或者石蠟包埋處理的樣本間的差異，這說明太赫茲波能夠辨別不同病理組織的組織結構。使用太赫茲光譜鑒別正常和患病的腦組織樣本。 應用太赫茲光譜技術對人腿皮質骨進行了檢測。研究有助于理解太赫茲波對生物組織的響應情況。

另外，太赫茲波空間分辨率高，太赫茲波能夠穿透表皮，太赫茲時域成像技術使用樣本的振幅和相位信息生成樣本的3D圖像。 采用連續太赫茲成像技術對非黑色素皮膚癌進行了研究， 利用太赫茲成像技術對皮下腫瘤和肝炎組織進行了研究。因此太赫茲成像作為一種安全、無損的醫學成像技術對生物組織的檢測和診斷具有重要的應用價值和發展潛力。

太赫茲技術作為一項多學科的交叉技術，有其獨特的優勢，并具有廣闊的應用前景，隨著太赫茲科學技術的快速發展，太赫茲科學技術的理論不斷發展和成熟，伴隨著各類太赫茲源、檢測和傳輸器件的研發成功，太赫茲技術必將對國民經濟和國家安全產生重大影響。