太赫茲波與太赫茲技術(shù)
太赫茲波是指頻率介于0.1~10THz之間的電磁波，其波長(zhǎng)范圍為 0.03~3 mm。太赫茲波在電磁波譜中的位置位于微波和紅外輻射之間，故對(duì)其研究手段由電子學(xué)理論逐漸過(guò)渡為光子學(xué)理論。 OD H@ /
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20世紀(jì)90年代以前，人們對(duì)太赫茲波的認(rèn)識(shí)非常有限。近年來(lái)，隨著激光技術(shù)、量子阱技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，為太赫茲脈沖的產(chǎn)生提供了穩(wěn)定、可靠的激發(fā)光源，使太赫茲輻射的產(chǎn)生機(jī)理、檢測(cè)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)等方面的研究得到蓬勃發(fā)展。由于太赫茲波在電磁波譜中所處的特殊位置，因而其具有許多優(yōu)越的性質(zhì)，從而在天文、生物、化學(xué)等領(lǐng)域有著非常重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值。尤其在軍事和安全領(lǐng)域，太赫茲技術(shù)更是有著廣闊的應(yīng)用前景。太赫茲技術(shù)因得到了各國(guó)政府和研究機(jī)構(gòu)的高度重視，成為了當(dāng)前國(guó)防和反恐中的重點(diǎn)研究項(xiàng)目。 lc=C
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1.太赫茲波的特性 8v M}moper
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太赫茲波綜合了電子學(xué)和光子學(xué)的優(yōu)越性能，具有很多不同于其他電磁波的特殊性質(zhì)。也正是這些特性，使之成為當(dāng)前科技界最熱鬧的前沿領(lǐng)域之一。 :sBg+MS
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指紋特性 1;[\xqJ
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物質(zhì)的太赫茲光譜包含著豐富的分子結(jié)構(gòu)信息。大部分物質(zhì)晶格的振動(dòng)以及分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)能級(jí)之間的躍遷都對(duì)應(yīng)于太赫茲波段范圍，每一種物質(zhì)在該波段透射-吸收光譜的位置、強(qiáng)度和形狀均不相同。因此太赫茲光譜能反映分子種類(lèi)和結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化，使得它們具有類(lèi)似指紋一樣的唯一特點(diǎn)，所以太赫茲光譜也稱(chēng)為分子指紋譜。根據(jù)太赫茲波譜的分子指紋特性可以分析研究物質(zhì)成分、微觀結(jié)構(gòu)及其相互作用關(guān)系。圖1展示了二硝基苯甲醚(DNAN)、六硝基芪(HNS)和二硝基亞甲基-四唑(DNMT)三種軍用粉末炸藥的太赫茲透射光譜，可以看出，三種炸藥各自都有大量的特征吸收峰，將被測(cè)物質(zhì)吸收峰的峰位及強(qiáng)度通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)譜對(duì)比，很容易能夠辨識(shí)出物質(zhì)種類(lèi)。 8 _K22]c5
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圖1.DNAN、HNS 和 DNMT 三種炸藥的太赫茲透射光譜(引自李茜，三種軍用炸藥的太赫茲光譜研究[M]，中北大學(xué)，2012) XnQo0
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透射特性 >'@ yq
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太赫茲波在各類(lèi)物質(zhì)中的傳播特性還有待進(jìn)一步深入研究。但根據(jù)已有的研究結(jié)果，太赫茲輻射對(duì)有極電介質(zhì)、無(wú)極電介質(zhì)及金屬導(dǎo)體的透射性有很大區(qū)別。有極電介質(zhì)存在等效的電偶極矩，金屬導(dǎo)體內(nèi)部則存在大量自由移動(dòng)的電荷，兩者與太赫茲波相互作用時(shí)會(huì)出現(xiàn)共振吸收，因此太赫茲波對(duì)這兩種物質(zhì)的穿透性很低。而無(wú)極電介質(zhì)對(duì)太赫茲波不會(huì)產(chǎn)生共振吸收效應(yīng)，從而具有很強(qiáng)的穿透性。由此太赫茲成像可以將不同的材質(zhì)加以區(qū)分。很多包裝材料如塑料、紙箱、布料、木材等都屬于無(wú)極電介質(zhì)，但它們對(duì)可見(jiàn)光都是不透明的。故可結(jié)合相應(yīng)技術(shù)對(duì)不透明的物體進(jìn)行太赫茲透視成像，作為X射線和超聲等成像技術(shù)的補(bǔ)充，探測(cè)材料內(nèi)部缺陷和密封包裝內(nèi)的物品。 H85HL-{
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安全特性 31y=Ar""
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根據(jù)公式 ε=hν，太赫茲波的光子能量只有毫電子伏特的數(shù)量級(jí)。例如頻率為1THz 的光子能量為 4.1meV，約為X射線光子能量的百萬(wàn)分之一。該能量遠(yuǎn)低于各種化學(xué)鍵的鍵能，不會(huì)對(duì)物體尤其是生物組織引起有害的電離反應(yīng)。由于水是極性物質(zhì)，所以水對(duì)太赫茲波有強(qiáng)烈的吸收，因此太赫茲輻射無(wú)法穿透人體的皮膚，對(duì)人體的影響只停留在皮膚表層，非常適用于針對(duì)人體或其他生物體的活體檢測(cè)。 .Mw'P\ GtM
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2.太赫茲技術(shù) qD O4 &NO
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太赫茲光譜技術(shù) A:EF#2) g
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由于太赫茲光譜的分子指紋特性，故可利用其研究物質(zhì)的化學(xué)物理性質(zhì)。將太赫茲脈沖入射到樣品表面后，采集透射譜或反射譜，便可以獲得與物質(zhì)作用后的太赫茲信號(hào)的振幅和相位信息。然后通過(guò)傅里葉變換進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，可以得到樣品的光譜信息、吸收系數(shù)、折射率等參數(shù)。分析這些參數(shù)，就能獲知樣品的組成元素、內(nèi)部構(gòu)造等相關(guān)信息。 dvk? A$
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