太赫茲

太赫茲(THz)波是指頻率在0.1~10 THz(波長為3000～30μm)範圍內的電磁波，在長波段與毫米波相重合，在短波段與紅外光相重合，是宏觀經典理論向微觀量子理論的過渡區，也是電子學向光子學的過渡區，稱為電磁波譜的“太赫茲空隙(THz gap)”。 ^[1] 

太赫茲(THz)波的波段能夠覆蓋半導體、等離子體，有機體和生物大分子等物質的特徵譜；利用該頻段可以加深和拓展人類對物理學、化學、天文學、信息學和生命科學中一些基本科學問題的認識。THz技術可廣泛應用於雷達、遙感、國土安全與反恐、高保密的數據通訊與傳輸、大氣與環境監測、實時生物信息提取以及醫學診斷等領域。因此，THz研究對國民經濟和國家安全有重大的應用價值。 ^[2] 

早期太赫茲在不同的領域有不同的名稱，在光學領域被稱為遠紅外，而在電子學領域，則稱其為亞毫米波、超微波等。在20世紀80年代中期之前，太赫茲波段兩側的紅外和微波技術發展相對比較成熟，但是人們對太赫茲波段的認識仍然非常有限，形成了所謂的“THz　Gap”。

2004年，美國政府將THz科技評為“改變未來世界的十大技術”之一，而日本於2005年1月8日更是將THz技術列為“國家支柱十大重點戰略目標”之首，舉全國之力進行研發。

我國政府在2005年11月專門召開了“香山科技會議”，邀請國內多位在THz研究領域有影響的院士專門討論我國THz事業的發展方向，並制定了我國THz技術的發展規劃。目前國內已經有多家研究機構開展太赫茲領域的相關研究，其中首都師範大學，是入手較早，投入較大的一家，並且在毒品和炸藥太赫茲光譜、成像和識別方面，利用太赫茲對非極性航天材料內部缺陷進行無損檢測方面做出了許多開拓性的工作，同時由於太赫茲射線在安全檢查方面的獨特優勢，首都師範大學太赫茲實驗室正集中力量研發能夠用於實景測試的安檢原型設備。另外，美國、歐洲、亞洲、澳大利亞等許多國家和地區政府、機構、企業、大學和研究機構紛紛投入到THz的研發熱潮之中。THz研究領域的開拓者之一，美國著名學者張希成博士稱：“Nextray, T-Ray！”。

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，由於太赫茲能量很小，不會對物質產生破壞作用，所以與X射線相比更具有優勢。

目前已經開始商業化運作，世界範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衝產生並探測時間分辨的THz電場，通過傅立葉變換獲得被測物品的光譜信息，由於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，進而可以通過特徵頻率對物質結構、物性進行分析和鑑定。一個比較重要的應用可以作為藥品質量監管。設想一下製藥廠的流水線上安裝一台THz時域光譜儀，從藥廠出廠的每一片藥都進行光譜測量，並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。

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衝和連續兩種方式。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佈。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，那麼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。

利用安全檢查應該説是現階段最吸引人的THz技術，它的本質原理是THz成像，目前由於目前主要採用連續波THz源，而且又由於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。由於THz射線的穿透性和對金屬材料的強反射特性，並且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的物質鑑別特性，能夠區分人體是否攜帶炸藥或毒品。首都師範大學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，世界範圍內引起社會動盪的自殺式炸彈恐怖襲擊，也可以利用THz安檢設備進行防範。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。

實際上也是成像的一種。鑑於大氣中水分對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。一個非常讓人嚮往的應用是穿牆雷達和探雷雷達，當然也可以用於抗震救災中遇難者的搜救，目前還處於研發階段。這是由於牆壁，木材等材料對THz透過，而人體包含大量水分，不透過THz，因此可以透過牆壁偵查到屋內的人員的分佈和活動，將反恐怖反綁架起到深遠的影響，同理也可以用於廢墟下人體的尋找。而探雷雷達是由於地雷一般在地表或地表附近，而乾燥的泥土可以透過THz射線，而地雷將會把THz射線反射回來，從而可以發現目標。

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。

THz用於通信可以獲得10GB/s的無線傳輸速度，特別是衞星通信，由於在外太空，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衞星通信。雖然由於缺乏高效的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。

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，波長介於毫米波與紅外線之間的電磁輻射區域。一太赫茲等於一萬億赫茲。

德國電子同步加速器研究所報告説，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。

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範圍。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。 ^[3] 

此外，太赫茲在半導體材料、高温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，籠統的説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，另外也沒有能夠常温下直接探測太赫茲射線的被動式探測器。

THz科學與技術已經被國際科學界公認為是下一代IT產業的基礎，吸引各國科學家目光的同時也吸引了不少國外公司進行THz商業化產品的開發。近年來THz科技產業化發展迅猛，包括THz輻射源、THz探測器、THz譜分析系統、THz成像系統等產業化技術已經成功地應用於多個領域，目前世界上已經有超過80家的高科技公司研發銷售THz的相關產品，它們主要集中在歐洲、美國，其中不乏實力雄厚的大型企業。THz領域已經逐漸成為高新科技產業技術的必爭之地。

由美國Univ. of Michigan及Univ. of Stanford孵化出Picometrix公司主要生產THz檢測系統，用THz成像系統檢查宇宙飛船外壁薄板內部缺陷，已投入使用；Rensselaer Polytechnic Institute孵化了ZOMEGA公司，主要生產THz譜分析系統、成像系統，其一款產品Mini Z已具備了機載檢測的可能。近年來，一些美國知名企業也紛紛將目光轉向THz產品的生產，包括Coherent公司、VDI公司、Thorlabs公司、ImraAmerica公司、Physical science公司等，其中VDI公司主要生產THz、毫米波固態振盪源及小型集成系統，產品頻率最高能達到1.7THz，主要用於衞星通信、天文探測、氣象監測、遙感成像等領域；IBM公司開發出硅鍺THz微處理器芯片IBM．GeorgiaTech，室温下芯片的時鐘頻率可達到0.35THz，遠遠高於標準的PC處理器芯片，在低温環境下，鍺芯片能夠獲得更高的性能，時鐘頻率可達到0.5THz。

英國建立了ThruVision公司專門從事有關THz成像的商品化工作，開發出被動式THz成像儀，目前已有商業化無源THz成像系統。英國劍橋大學孵化出的高科技公司TeraView從事THz攝像機的開發，研製的TPI Imaga 1000和TPI Imaga 2000三維成像系統，是國際上首台用於材料物理化學特性的THz商業成像系統，可用於無損分析和檢測。英國的EI公司已經生產出THz氣體激光器：愛爾蘭的Farran公司也從事THz源及探測器產品的開發。此外，德國、瑞士、法國等國近年來也出現了多家基於生產THz技術相關產品的公司。亞洲相關公司主要集中在日本和韓國。如日本Nikon公司已經生產YRayfact系列THz成像系統：村田製作圍繞THz技術也開發出了新的THz相關應用商品；日本富士通公司如今也己開始從事THz激光器的研究；台灣聯華電子(UMC)採用其0.13μm RFCMOS工藝技術，已製造出振盪頻率為0.192THz的雙推式電壓控制振盪器，創下了目前硅芯片最高振盪頻率的紀錄(若採用65nm工藝，振盪頻率預計可達到0.35～0.4THz)。綜上所述，以THz科技為基礎的新一代IT產業已開始逐步形成，THz科技產業化在今後將會逐漸步入到工業生產、醫療檢測、環境監測、安全檢查等領域。 ^[1] 

太赫茲的獨特性能給通信（寬帶通信）、雷達、電子對抗、電磁武器、天文學、醫學成像（無標記的基因檢查、細胞水平的成像）、無損檢測、安全檢查（生化物的檢查）等領域帶來了深遠的影響。由於太赫茲的頻率很高，所以其空間分辨率也很高；又由於它的脈衝很短（皮秒量級）所以具有很高的時間分辨率。

2016年10月28日消息，中國航天科工集團23所已獲得中國首幅太赫茲波段外場SAR圖像，太赫茲波段雷達成像關鍵技術取得突破性成果。通過首幅太赫茲波段外場SAR圖像，主要技術指標和成像算法得到了試驗驗證，為太赫茲雷達工程應用奠定了技術基礎。不過，由於高功率太赫茲輻射源發展水平的限制，太赫茲雷達系統成像目前尚無法完全滿足實際應用需求。 ^[4]