探究太赫茲發(fā)展史以及特性與應(yīng)用

前言

赫茲對于我們來說，再也熟悉不過；赫茲（Hz）描述的是每一秒中發(fā)生的周期性事件次數(shù)，作國際頻率單位，也常見于描述電磁波、信號、聲音的性質(zhì)。赫茲派生單位還包括千赫茲（KHz）兆赫茲（MHz）、吉赫茲（GHz）等。由于“Tera”本身描述的是10的12次方數(shù)量級，由此，TeraHertz，即太赫茲，可以簡單的理解為吉赫茲的下一數(shù)量級單位。

太赫茲的那段“黑”歷史

紅外技術(shù)比太赫茲技術(shù)早發(fā)展了近50年，如今紅外技術(shù)與產(chǎn)品唾手可得，加上此次疫情的“雪上加霜”，紅外產(chǎn)品得以大放異彩。反觀太赫茲，因為光學(xué)器件成本過于昂貴，國內(nèi)對太赫茲的研究也落后于國際水平，普遍大眾鮮有對其進(jìn)行嘗試，無法達(dá)到產(chǎn)業(yè)化的需求，僅在為數(shù)不多的航天科技、安檢與實驗室中可以看到太赫茲的身影。

早在20世紀(jì)80年代，由于缺少穩(wěn)定有效的太赫茲源和探測器，以及對太赫茲的相關(guān)研究稀少，其一度被稱為“太赫茲鴻溝”，技術(shù)尚待挖掘。如今，隨著新一代太赫茲源與探測器的不斷發(fā)展問世，這個“鴻溝”正在快速被填補(bǔ)，技術(shù)也蓬勃發(fā)展。

實際上， 早在一百多年前， 就有科學(xué)工作者涉及過該波段的研究，即在1896年和1897年，Rubens和Nichols對該波段進(jìn)行先期的探索。在之后的近百年間， 太赫茲科學(xué)與技術(shù)得到了初步的發(fā)展， 許多重要理論和初期的太赫茲器件相繼問世。而“ Terahertz”這個詞語正式在文章中出現(xiàn)卻是在1974年左右， Fleming用它來描述邁克爾遜干涉儀所覆蓋的一段頻段的譜線。

現(xiàn)代太赫茲科學(xué)與技術(shù)的真正發(fā)展則是在20世紀(jì)80年代中期， 隨著一系列新技術(shù)、新材料的發(fā)展， 特別是超快技術(shù)的發(fā)展， 使得獲得寬帶穩(wěn)定的脈沖太赫茲源成為一種常規(guī)技術(shù)， 太赫茲技術(shù)也從此得以迅速發(fā)展。由于THz所處的特殊電磁波譜的位置， 它有很多優(yōu)越的特性， 有非常重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價值， 使得THz受到全世界各國政府的支持， 并給予極大的關(guān)注。美國、歐州和日本尤為重視。

我國政府在2005年11月專門召開了“香山科學(xué)會議”， 邀請國內(nèi)多位在THz研究領(lǐng)域有影響的院士專門討論我國THz事業(yè)的發(fā)展方向， 并制定了我國THz技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃。我國的THz學(xué)科研究受到政府和各研究機(jī)構(gòu)的廣泛重視。

國家科技部、國家自然科學(xué)基金委、863計劃（民口和軍口）及第270次香山科學(xué)會議等都將太赫茲科學(xué)技術(shù)列為研究主題。然而，太赫茲技術(shù)的發(fā)展仍然受到太赫茲輻射源、太赫茲探測器以及許多太赫茲功能器件的制約，盡管這些領(lǐng)域的研究已經(jīng)進(jìn)行了二十多年，但與激光技術(shù)相比，太赫茲技術(shù)所需要的許多關(guān)鍵器件還是十分有限的，很多技術(shù)尚待開發(fā)，甚至一些基礎(chǔ)理論研究也是急需發(fā)展的。

太赫茲特性與應(yīng)用

太赫茲波是指頻率在0.1~10THz范圍內(nèi)的電磁波，波長在3mm~30μm之間，是目前電磁波頻段各國有著大量競爭的前沿領(lǐng)域，也是人類認(rèn)知最少的一個頻段，行業(yè)人士常稱太赫茲為光電行業(yè)的“最后一塊拼圖”，也是基于其在電磁波頻段上的巨大應(yīng)用潛能與獨特優(yōu)越性。

太赫茲波其介于微波與遠(yuǎn)紅外波段，覆蓋部分毫米波與遠(yuǎn)紅外頻段，因此太赫茲波本身也是具有紅外輻射與毫米波的特性的。一般來說，太赫茲普遍的特性如下：

01

強(qiáng)穿透性和低能性

指太赫茲波能夠穿透非極性與非金屬物質(zhì)如塑料、陶瓷、樹木、布料和復(fù)合材料等；另外，太赫茲波本身光子能量低，只有大約X射線光子能量的一個百分點，不具有電離特性，對于人體等大部分活體組織是安全無害的，因此也非常適合安檢領(lǐng)域。

在其它無損檢測領(lǐng)域，太赫茲也大放異彩。例如，檢測樣品缺陷，包括裂痕、錯位或者存在雜質(zhì)。食品和農(nóng)業(yè)中，可以通過檢測食物或者種子的光譜信息，判斷食品質(zhì)量或者含有的潛在危害物質(zhì)（添加劑、轉(zhuǎn)基因分子）。

軍事方面，與微波雷達(dá)技術(shù)比較，太赫茲雷達(dá)可以對小的目標(biāo)進(jìn)行有效探測，并且能夠?qū)ξ恢眠M(jìn)行精確判斷，還能夠?qū)崿F(xiàn)定位的保密性，分辨率強(qiáng)。紅外雷達(dá)和激光雷達(dá)相比太赫茲的雷達(dá)具有很強(qiáng)的穿透能力，對煙霧和沙塵天氣都 能夠?qū)崿F(xiàn)穿透效果。具有自身獨特的穿墻能力，太赫茲的雷達(dá)可以探測到敵方隱蔽的武器，還能夠?qū)窝b埋伏的 武裝人員進(jìn)行有效探測。

02

帶寬高

通常來講，傳輸速率隨著載波頻率增加而增加。太赫茲顯然大于微波整體帶寬，因此其能夠?qū)崿F(xiàn)的帶寬級也更高。目前手機(jī)通訊的頻 率只能夠達(dá)到太赫茲波的千分之一，太赫茲波在進(jìn)行無線傳輸過程當(dāng)中，能夠以 10GB/s 速度傳遞，是 6G 的理想波段選擇。未來太赫茲很大程度上也需要通過其通信領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行普及。

不過，由于水、沙塵等顆粒物對太赫茲波的吸收，太赫茲傳播會受到不同程度的衰減，特別在沙塵暴與雨天天氣情況。因此，地面遠(yuǎn)距離通信不適合太赫茲波，而在衛(wèi)星間通信與短程地面通信等等有較大潛力。

03

指紋特性

許多生物大分子在太赫茲頻段有明顯的吸收峰，分子發(fā)生振動、轉(zhuǎn)動等現(xiàn)象所對應(yīng)的頻率也位于太赫茲波段。理論上，太赫茲波對若分子間作用和分子低能級的振動與轉(zhuǎn)動更敏感。因此，我們可以利用太赫茲光譜來鑒別物質(zhì)，更好對結(jié)構(gòu)差異細(xì)微的有機(jī)分子進(jìn)行識別等。

值得一提的點是，水的介電特性，即水對太赫茲的強(qiáng)吸收性也為其醫(yī)療應(yīng)用提供了便利：人體細(xì)胞在病變后往往組織水量較正常組織會發(fā)生變化，因此可以利用太赫茲定位病灶與其大小。該技術(shù)能快速辨別病變區(qū)域的大小、形態(tài)等，減少患者的痛苦，還會提高醫(yī)療診斷效率。

除此之外太赫茲波還有諸如強(qiáng)相干性和瞬態(tài)性等特點，在檢測技術(shù)和時間分辨研究中也有很多優(yōu)勢。

結(jié)語

太赫茲技術(shù)以上的介紹能夠為讀者普及關(guān)于太赫茲技術(shù)的基本概念，其中的應(yīng)用涉及到無損檢測與通信。至于成像應(yīng)用，我們將在下一篇細(xì)說，為大家?guī)黻P(guān)于太赫茲成像的實際案例，以及近期推出的虹科太赫茲源TeraCascade產(chǎn)品。我們下期再見！

文章出處：廣州虹科電子科技有限公司

編輯：jq