曾祥峰

摘要本文在太赫茲科學(xué)技術(shù)過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)科學(xué)成果的基礎(chǔ)上，對(duì)于其出現(xiàn)的新進(jìn)展進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，并對(duì)太赫茲科學(xué)技術(shù)將給各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞太赫茲；科學(xué)成果；研究新進(jìn)展

中圖分類(lèi)號(hào)TN21

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)2095-636 3（2017）04-0014-01

1.太赫茲波的簡(jiǎn)述及其特性

太赫茲波一般是指頻率為0.1THz～I(xiàn)OTHz（波長(zhǎng)在0.03～3mm）波段的電磁波，它既影響到電子學(xué)又影響到光子學(xué)，處在兩者的過(guò)渡區(qū)域，因此對(duì)于學(xué)科之間的相互研究、融合有著很重要的價(jià)值。同時(shí)，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(huì)對(duì)物質(zhì)產(chǎn)生損壞，適用于一些活體檢測(cè)項(xiàng)目；2）對(duì)水分子比較敏感，太赫茲成像技術(shù)因此可以檢測(cè)水分含量和水分分布情況；3）對(duì)介電材料和非極性物質(zhì)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(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)頻率都在其覆蓋的波段，可以采用太赫茲波來(lái)進(jìn)行這些分子的成分分析。這些特性都使得太赫茲波在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛且處于科技前沿，特別是關(guān)系到社會(huì)和人類(lèi)發(fā)展的生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、航天、國(guó)防等領(lǐng)域，引起了一股對(duì)太赫茲科學(xué)技術(shù)的研究熱。

2.太赫茲科學(xué)技術(shù)研究的一些成果和進(jìn)展

目前太赫茲科學(xué)技術(shù)研究主要體現(xiàn)在4個(gè)方面：太赫茲輻射源、太赫茲波的檢測(cè)和標(biāo)定、太赫茲功能器件和太赫茲波的實(shí)際應(yīng)用，下面將從這4個(gè)方面來(lái)說(shuō)明過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)已經(jīng)取得的頗有價(jià)值的各種研究成果。

2.1太赫茲輻射的產(chǎn)生

太赫茲輻射的產(chǎn)生一直以來(lái)是個(gè)難題，過(guò)去人們所知的產(chǎn)生方法受到的局限性比較明顯，無(wú)法得到高功率、低成本的太赫茲光源，因此人們?cè)谘芯康倪^(guò)程中萌發(fā)了用其他光源來(lái)代替太赫茲光源的想法，就目前研究出的主要有3類(lèi)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(xù)波光源。第一種熱輻射光源雖然在現(xiàn)實(shí)中分布比較廣泛，一切能產(chǎn)生熱量的光源都包含在內(nèi)，但是其光強(qiáng)成功率很低，實(shí)際使用的時(shí)候限制大。第二種寬波段的脈沖光源是基于光子學(xué)的太赫茲輻射源，比較常見(jiàn)的有光整流和光電導(dǎo)。第三種窄波段的連續(xù)波光源主要用于高頻譜分辨率方面，在通信領(lǐng)域特別是短距離通信和極寬頻帶的衛(wèi)星通信方面應(yīng)用比較多。

關(guān)于太赫茲輻射的產(chǎn)生還在不斷的研究中，除了以上幾種方法外，還出現(xiàn)了低頻微波振蕩器、氣體激光器等，其中半導(dǎo)體太赫茲輻射源具有小巧、價(jià)格低廉和頻率可調(diào)的特點(diǎn)，只是半導(dǎo)體器件的工作頻率比較難達(dá)到1THz以上，因此科學(xué)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(zhēng)取能獲得推動(dòng)整個(gè)太赫茲科學(xué)技術(shù)發(fā)展的成果。

2.2太赫茲波的檢測(cè)和標(biāo)定

要開(kāi)發(fā)和利用太赫茲波，自然需要先將太赫茲波檢測(cè)出來(lái)，而太赫茲波因?yàn)楣庠吹牡桶l(fā)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(cè)得出。針對(duì)不同頻率的太赫茲波段，使用的檢測(cè)器往往有所差別，高端部分的檢測(cè)器應(yīng)該靈敏度更好一些?，F(xiàn)在對(duì)于寬波段最常使用的檢測(cè)方法是基于熱吸收的直接探測(cè)，常用裝置是熱輻射測(cè)量?jī)x，靈敏度最高的是單光子探測(cè)器。在檢測(cè)速度方面，目前的檢測(cè)速度還有所限制，不過(guò)科學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)始設(shè)想高速檢測(cè)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(tǒng)之時(shí)，要有太赫茲輻射的產(chǎn)生，還要有檢測(cè)器能夠檢測(cè)得出，最后還需要一些功能器件去進(jìn)行內(nèi)部連接，比如說(shuō)傳輸系統(tǒng)和諧振系統(tǒng)等，這樣才能將太赫茲波真正應(yīng)用到實(shí)際中去。在太赫茲傳輸中，最主要用到的就是以波導(dǎo)為基礎(chǔ)的太赫茲器件，因此，科學(xué)家們?cè)谶@方面研制出不少產(chǎn)品，比如光子晶體波導(dǎo)、光子晶體光纖等。光子晶體是用來(lái)制造太赫茲功能器件的主要物質(zhì)，其特性主要是可以引入雜質(zhì)和缺陷，破壞其嚴(yán)格的周期結(jié)構(gòu)，利用這些缺陷部分的變化，使得光子晶體各種性能得以實(shí)現(xiàn)。例如，利用光子晶體的局域態(tài)可以制備分束器等，而利用其某些獨(dú)特的光學(xué)特性，可以制備高效光放大器、無(wú)閾值激光器等。

2.4太赫茲波的實(shí)際應(yīng)用

1）太赫茲科學(xué)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。前面對(duì)于太赫茲波的特性描述中，我們就已經(jīng)知道，太赫茲波的頻譜很寬，能覆蓋到大多數(shù)生物分子的波段，而且太赫茲波能量小，對(duì)于物質(zhì)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(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)情況，并將這些作為理論基礎(chǔ)進(jìn)行醫(yī)學(xué)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(lèi)：（1）對(duì)有機(jī)體水平的研究，即利用活體大鼠進(jìn)行試驗(yàn)，來(lái)檢測(cè)太赫茲輻射能否引起血小板的功能活動(dòng)；（2）對(duì)于離體組織和血液的研究，實(shí)驗(yàn)者利用新鮮豬肉組織和蛋白組織來(lái)研究生物組織在太赫茲輻射下的損傷閾值，雖說(shuō)其研究?jī)r(jià)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(xì)胞的體外研究，很早以前就有研究者證明了太赫茲輻射對(duì)細(xì)胞具有特殊作用，2002年又有科學(xué)家研究了酵母細(xì)胞在太赫茲輻射下的生長(zhǎng)率問(wèn)題。除了上述直接對(duì)生物分子的研究以外，太赫茲科學(xué)技術(shù)還廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)氨基酸與多肽、DNA等的光譜研究中，同時(shí)，太赫茲成像技術(shù)對(duì)于癌癥的檢測(cè)、燒傷成像等都有顯著幫助。

2）太赫茲波在成像技術(shù)方面的應(yīng)用。太赫茲成像技術(shù)主要分成脈沖太赫茲波成像和連續(xù)太赫茲波成像兩大類(lèi)，脈沖太赫茲波成像多基于TDS技術(shù)，最大的特點(diǎn)就是信息量大，其主要應(yīng)用在無(wú)損檢測(cè)、安檢質(zhì)檢等領(lǐng)域，不足的地方在于數(shù)據(jù)獲取時(shí)間較長(zhǎng)，而連續(xù)太赫茲波成像則不會(huì)延時(shí)掃描，成像的速度提升很多，并且它還具有小型、簡(jiǎn)單、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。除了上述的太赫茲成像類(lèi)型，科學(xué)家們又相繼研制出太赫茲合成孔徑雷達(dá)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(shù)分別給無(wú)損檢測(cè)、天文學(xué)等領(lǐng)域帶來(lái)極大的進(jìn)步。

3）太赫茲科學(xué)技術(shù)在軍事和安全領(lǐng)域的應(yīng)用。在軍事領(lǐng)域，太赫茲波的可用性體現(xiàn)在可對(duì)爆炸物進(jìn)行探測(cè)和鑒別、可進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)、可進(jìn)行遠(yuǎn)程探測(cè)與成像、可以用于太空通信，甚至還可以用于末端精確制導(dǎo)，由于太赫茲波具有波束窄、方向性強(qiáng)的特點(diǎn)，可將太赫茲波與常規(guī)的制導(dǎo)方式結(jié)合起來(lái)使用，在導(dǎo)彈接近目標(biāo)之后，利用太赫茲波修正方向，可以提高導(dǎo)彈攻擊的精準(zhǔn)度。在安全領(lǐng)域，各種公共場(chǎng)所的安檢自然是不用說(shuō)，此外還可以進(jìn)行生物藥品的檢測(cè)和毒品檢測(cè)，對(duì)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(xué)技術(shù)的新發(fā)展

太赫茲科學(xué)技術(shù)是全世界范圍內(nèi)都備受矚目的尖端科技，因此參與到其中的科學(xué)家們可以說(shuō)遍布全世界，在過(guò)去幾年內(nèi)太赫茲科學(xué)技術(shù)已經(jīng)取得了飛速的發(fā)展，但追逐更多新技術(shù)的腳步仍然沒(méi)有停。激光引導(dǎo)編碼技術(shù)是美國(guó)近年研制出的，在推進(jìn)單一像素太赫茲成像方面可謂獲得了重要進(jìn)步；德國(guó)側(cè)重于研究太赫茲脈沖源，也取得了可喜的收獲；加拿大則開(kāi)發(fā)出了寬帶太赫茲隔離器；我國(guó)在此項(xiàng)科學(xué)技術(shù)的研究上也不甘落后，研制出了首個(gè)室溫太赫茲白混頻探測(cè)器，可以說(shuō)，太赫茲科學(xué)技術(shù)的新進(jìn)展數(shù)不勝數(shù)，如此碩果累累的科學(xué)成就，將會(huì)對(duì)整個(gè)社會(huì)產(chǎn)生極其深遠(yuǎn)的影響。

4.結(jié)論

太赫茲科學(xué)技術(shù)研究的重要性對(duì)于整個(gè)人類(lèi)和全世界的發(fā)展不言而喻，因此，需要各個(gè)國(guó)家和科學(xué)家們都更加重視起來(lái)，不僅可以設(shè)想出更多關(guān)于太赫茲科學(xué)技術(shù)的理論，還要將其運(yùn)用到實(shí)際中去，推動(dòng)多個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。