什么是太赫茲？太赫茲有哪些優點和應用？

　　太赫茲（Tera Hertz，THz）是波動頻率單位之一，又稱為太赫，或太拉赫茲。等于1,000,000,000,000Hz，通常用于表示電磁波頻率。太赫茲是一種新的、有很多獨特優點的輻射源；太赫茲技術是一個非常重要的交叉前沿領域，給技術創新、國民經濟發展和國家安全提供了一個非常誘人的機遇可能引發科學技術的革命性發展。

　　特點

　　量子能量和黑體溫度很低，如表1所示。

　　許多生物大分子的振動和旋轉頻率都處于THz波段，所以利用THz波可以獲得豐富的生物及其材料信息。

　　THz輻射能以很小的衰減穿透如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等物質。

　　THz的時域頻譜信噪比很高，使THz非常適用于成像應用。

　　瞬時帶寬很寬(0.1～10THz)，利于高速通信。

　　應用

　　太赫茲成像技術和太赫茲波譜技術由此構成了太赫茲應用的兩個主要關鍵技術。同時，由于太赫茲能量很小，不會對物質產生破壞作用，所以與X射線相比更具有優勢。

　　THz時域光譜技術

　　目前已經開始商業化運作，世界范圍內已經有多家企業開始生產商用THz時域光譜儀，主要是中國，美國，歐洲和日本的廠家。THz時域光譜技術的基本原理是利用飛秒脈沖產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動能級大多在THz波段，而大分子，特別是生物和化學大分子是具有本身物性的物質集團，進而可以通過特征頻率對物質結構、物性進行分析和鑒定。一個比較重要的應用可以作為藥品質量監管。設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行光譜測量，并與標準的藥物進行光譜對比，合格的將進入下一個環節，否則在流水線上將劣質藥片清除掉，避免不同藥片或不同批次藥片的品質差異，保證藥品的品質。

　　THz成像技術

　　跟其他波段的成像技術一樣，THz成像技術也是利用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，進而成像。THz成像技術可以分為脈沖和連續兩種方式。前者具有THz時域光譜技術的特點。同時它可以對物質集團進行功能成像，獲得物質內部的折射率分布。例如葵花籽可以和容易獲得葵花子的內部信息。圖3-4 給出了葵花籽樣品的實物照片和相應方法重構的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

　　利用安全檢查應該說是現階段最吸引人的THz技術，它的本質原理是THz成像，目前由于目前主要采用連續波THz源，而且又由于它要解決的是目前最受人關注的反恐、緝毒等最讓人關注的問題，所以單列出來。目前英國發展的THz安檢設備已經進入試用階段。由于THz射線的穿透性和對金屬材料的強反射特性，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、鞋內的刀具、槍械等物品。同時如果結合THz的物質鑒別特性，能夠區分你身上是否攜帶炸藥或毒品。首都師范大學THz實驗室已經建立了常見的炸藥和毒品的數據譜庫，可以設想再過幾年，可以真正在機場見到真正的THz安檢的設備。另外，世界范圍內引起社會動蕩的自殺式炸彈恐怖襲擊，也可以利用THz安檢設備進行防范。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行檢查。

　　THz雷達

　　實際上也是成像的一種。鑒于大氣中水分對THz射線的強吸收作用，所以近距離雷達是THz射線的優勢所在。一個非常讓人向往的應用是穿墻雷達和探雷雷達，當然也可以用于抗震救災中遇難者的搜救，目前還處于研發階段。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的人員的分布和活動，將反恐怖反綁架起到深遠的影響，同理也可以用于廢墟下人體的尋找。而探雷雷達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，從而可以發現目標。

　　天文學

　　在宇宙中，大量的物質在發出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頻段進行探測。而這些物質在應用THz技術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

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

　　太赫茲輻射

　　德國研究人員利用超級計算機計算發現，利用強烈的太赫茲輻射，可實現在不到萬億分之一秒內瞬間將微量水燒開。

　　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域。一太赫茲等于一萬億赫茲。

　　德國電子同步加速器研究所報告說，強烈的太赫茲輻射可引發水分子劇烈震動，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，水在許多化學與生物過程中扮演重要角色，新發現或可為化學與生物領域提供更多實驗可能。

　　生物醫學

　　中國工程院院士杜祥琬院士指出，在所有物理技術中，電磁波技術對醫學的促進作用尤其突出。從1901年X線獲得第一屆諾貝爾物理學獎開始，已有5項與生物醫學相關的諾貝爾獎授予了X光譜技術領域。

　　太赫茲技術在生物醫學方面的應用，生物大分子相互作用是重大生命現象與病變產生的關鍵動因，而太赫茲光子能量覆蓋了生物大分子空間構象的能級范圍。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象等重要信息。因此，可以發展一種利用太赫茲探測和干預生物大分子相互作用過程的新理論和新技術，為當前重大疾病診斷、有效干預提供先進的技術手段。

　　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、探測器及成像系統等關鍵技術與儀器設備的大力支持，我國已基本具備開展太赫茲生物醫學研究的基礎。

　　其他

　　此外，太赫茲在半導體材料、高溫超導材料的性質研究等領域也有廣泛的應用。研究該頻段不僅將推動理論研究工作的重大發展，而且對固態電子學和電路技術也將提出重大挑戰。

　　目前，籠統的說THz技術的研究主要圍繞三大部分內容展開，THz產生源、THz探測和應用研究。目前最大的困難還是沒有高功率便攜式連續可調的成本較低的THz發射源和滿足現實要求的濾光片，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。