太赫兹科学技术研究的新进展

曾祥峰

摘要本文在太赫兹科学技术过去一段时间内科学成果的基础上，对于其出现的新进展进行了简单介绍，并对太赫兹科学技术将给各个领域带来的发展进行了展望。

关键词太赫兹；科学成果；研究新进展

中图分类号TN21

文献标识码A

文章编号2095-636 3（2017）04-0014-01

1.太赫兹波的简述及其特性

太赫兹波一般是指频率为0.1THz～IOTHz（波长在0.03～3mm）波段的电磁波，它既影响到电子学又影响到光子学，处在两者的过渡区域，因此对于学科之间的相互研究、融合有着很重要的价值。同时，太赫兹波还具有很好的特性：1）太赫兹波的光子能量很低，不会对物质产生损坏，适用于一些活体检测项目；2）对水分子比较敏感，太赫兹成像技术因此可以检测水分含量和水分分布情况；3）对介电材料和非极性物质的穿透性好，因此在各种需要安检的地方有一定的效用；4）所包含的频谱很宽，各种极性分子和生物大分子的转动和振动频率都在其覆盖的波段，可以采用太赫兹波来进行这些分子的成分分析。这些特性都使得太赫兹波在各个领域的应用广泛且处于科技前沿，特别是关系到社会和人类发展的生物学、医学、航天、国防等领域，引起了一股对太赫兹科学技术的研究热。

2.太赫兹科学技术研究的一些成果和进展

目前太赫兹科学技术研究主要体现在4个方面：太赫兹辐射源、太赫兹波的检测和标定、太赫兹功能器件和太赫兹波的实际应用，下面将从这4个方面来说明过去一段时间内已经取得的颇有价值的各种研究成果。

2.1太赫兹辐射的产生

太赫兹辐射的产生一直以来是个难题，过去人们所知的产生方法受到的局限性比较明显，无法得到高功率、低成本的太赫兹光源，因此人们在研究的过程中萌发了用其他光源来代替太赫兹光源的想法，就目前研究出的主要有3类光源。不相干的热辐射光源、宽波段的脉冲光源和窄波段的连续波光源。第一种热辐射光源虽然在现实中分布比较广泛，一切能产生热量的光源都包含在内，但是其光强成功率很低，实际使用的时候限制大。第二种宽波段的脉冲光源是基于光子学的太赫兹辐射源，比较常见的有光整流和光电导。第三种窄波段的连续波光源主要用于高频谱分辨率方面，在通信领域特别是短距离通信和极宽频带的卫星通信方面应用比较多。

关于太赫兹辐射的产生还在不断的研究中，除了以上几种方法外，还出现了低频微波振荡器、气体激光器等，其中半导体太赫兹辐射源具有小巧、价格低廉和频率可调的特点，只是半导体器件的工作频率比较难达到1THz以上，因此科学家们还在致力于这方面的研究，在最近的几年中不断突破，争取能获得推动整个太赫兹科学技术发展的成果。

2.2太赫兹波的检测和标定

要开发和利用太赫兹波，自然需要先将太赫兹波检测出来，而太赫兹波因为光源的低发射功率和比较高的热背景，需要不断提高接收的灵敏度，才能检测得出。针对不同频率的太赫兹波段，使用的检测器往往有所差别，高端部分的检测器应该灵敏度更好一些。现在对于宽波段最常使用的检测方法是基于热吸收的直接探测，常用装置是热辐射测量仪，灵敏度最高的是单光子探测器。在检测速度方面，目前的检测速度还有所限制，不过科学家们已经开始设想高速检测并积极投入研究中。

2.3太赫兹功能器件

在形成太赫兹系统之时，要有太赫兹辐射的产生，还要有检测器能够检测得出，最后还需要一些功能器件去进行内部连接，比如说传输系统和谐振系统等，这样才能将太赫兹波真正应用到实际中去。在太赫兹传输中，最主要用到的就是以波导为基础的太赫兹器件，因此，科学家们在这方面研制出不少產品，比如光子晶体波导、光子晶体光纤等。光子晶体是用来制造太赫兹功能器件的主要物质，其特性主要是可以引入杂质和缺陷，破坏其严格的周期结构，利用这些缺陷部分的变化，使得光子晶体各种性能得以实现。例如，利用光子晶体的局域态可以制备分束器等，而利用其某些独特的光学特性，可以制备高效光放大器、无阈值激光器等。

2.4太赫兹波的实际应用

1）太赫兹科学技术在生物医学中的应用。前面对于太赫兹波的特性描述中，我们就已经知道，太赫兹波的频谱很宽，能覆盖到大多数生物分子的波段，而且太赫兹波能量小，对于物质是不易造成损坏的，所以，利用太赫兹波可以了解生物分子内部运转情况，并将这些作为理论基础进行医学上疾病的诊断和治疗。在目前所知的生物研究中，主要分成以下几类：（1）对有机体水平的研究，即利用活体大鼠进行试验，来检测太赫兹辐射能否引起血小板的功能活动；（2）对于离体组织和血液的研究，实验者利用新鲜猪肉组织和蛋白组织来研究生物组织在太赫兹辐射下的损伤阈值，虽说其研究价值还有待考虑，但仍然为治疗心绞痛等疾病提供了一定的参考作用；（3）细胞的体外研究，很早以前就有研究者证明了太赫兹辐射对细胞具有特殊作用，2002年又有科学家研究了酵母细胞在太赫兹辐射下的生长率问题。除了上述直接对生物分子的研究以外，太赫兹科学技术还广泛应用于医学氨基酸与多肽、DNA等的光谱研究中，同时，太赫兹成像技术对于癌症的检测、烧伤成像等都有显著帮助。

2）太赫兹波在成像技术方面的应用。太赫兹成像技术主要分成脉冲太赫兹波成像和连续太赫兹波成像两大类，脉冲太赫兹波成像多基于TDS技术，最大的特点就是信息量大，其主要应用在无损检测、安检质检等领域，不足的地方在于数据获取时间较长，而连续太赫兹波成像则不会延时扫描，成像的速度提升很多，并且它还具有小型、简单、价格低等优点。除了上述的太赫兹成像类型，科学家们又相继研制出太赫兹合成孔径雷达成像、太赫兹干涉合成孔径成像和太赫兹压缩感知成像等，这些技术分别给无损检测、天文学等领域带来极大的进步。

3）太赫兹科学技术在军事和安全领域的应用。在军事领域，太赫兹波的可用性体现在可对爆炸物进行探测和鉴别、可进行无损检测、可进行远程探测与成像、可以用于太空通信，甚至还可以用于末端精确制导，由于太赫兹波具有波束窄、方向性强的特点，可将太赫兹波与常规的制导方式结合起来使用，在导弹接近目标之后，利用太赫兹波修正方向，可以提高导弹攻击的精准度。在安全领域，各种公共场所的安检自然是不用说，此外还可以进行生物药品的检测和毒品检测，对于打击恐怖分子和防范非法贩毒有着非常重要的作用。

3.太赫兹科学技术的新发展

太赫兹科学技术是全世界范围内都备受瞩目的尖端科技，因此参与到其中的科学家们可以说遍布全世界，在过去几年内太赫兹科学技术已经取得了飞速的发展，但追逐更多新技术的脚步仍然没有停。激光引导编码技术是美国近年研制出的，在推进单一像素太赫兹成像方面可谓获得了重要进步；德国侧重于研究太赫兹脉冲源，也取得了可喜的收获；加拿大则开发出了宽带太赫兹隔离器；我国在此项科学技术的研究上也不甘落后，研制出了首个室温太赫兹白混频探测器，可以说，太赫兹科学技术的新进展数不胜数，如此硕果累累的科学成就，将会对整个社会产生极其深远的影响。

4.结论

太赫兹科学技术研究的重要性对于整个人类和全世界的发展不言而喻，因此，需要各个国家和科学家们都更加重视起来，不仅可以设想出更多关于太赫兹科学技术的理论，还要将其运用到实际中去，推动多个领域的发展。