太赫茲技術(shù)的優(yōu)越特性以及應(yīng)用（三）
太赫茲技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r
自1896年和1897年，Rubens和Nichols開始對太赫茲波段進(jìn)行先期探索，太赫茲技術(shù)已經(jīng)有一百多年的歷史，在這一百多年間太赫茲科學(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[3]?，F(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。
根據(jù)太赫茲輻射的重大應(yīng)用前景，從20世紀(jì)90年代中期開始美國國家基金會、航天局、國防部和國家衛(wèi)生學(xué)會等政府或軍事部門，對太赫茲科學(xué)研究項目持續(xù)提供了較大規(guī)模的資金支持，太赫茲技術(shù)被美國評為“改變未來世界的十大技術(shù)”之一。歐洲國家除了各國自己所支持的研究項目以外，還利用歐盟的資金共同組織了跨國界、多學(xué)科、大型的合作研究項目，如Teravision、THz-Bridge、STARTIGER等。
日本政府近年來對太赫茲科研的投入大量經(jīng)費(fèi)，并于2005年1月8日將太赫茲科技列為“國家支柱技術(shù)十大重點(diǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)”之首。目前，世界上約有130多家研究機(jī)構(gòu)開展了相關(guān)的光電子材料、太赫茲激光器、太赫茲光譜學(xué)及相關(guān)生物醫(yī)學(xué)成像等研究。
不同于微波毫米波和紅外線領(lǐng)域，在太赫茲方面，我國與國外差距較小。2005 年，科技部、中國科學(xué)院、國家自然科學(xué)基金委聯(lián)合召開的以“太赫茲科學(xué)技術(shù)”為主題的科學(xué)會議，成為我國太赫茲研究工作的里程碑。至今，國內(nèi)已有 30 多家單位從事太赫茲科學(xué)技術(shù)研究工作，正逐漸在國際太赫茲科學(xué)技術(shù)的研究中占有一席之地。
伴隨著材料學(xué)、半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)逐漸擁有了研究太赫茲技術(shù)的基礎(chǔ)條件，科研人員也克服了重重困難，取得了非常可喜的成就。單從論文發(fā)表的數(shù)量上，我國已經(jīng)達(dá)到世界較為領(lǐng)先的地位，但是從科研到產(chǎn)業(yè)化的速度和能力，與歐美國家還存在較大差距。
至今除了航天、國防領(lǐng)域以外，太赫茲技術(shù)的大范圍應(yīng)用并沒有如期而至，民用消費(fèi)行業(yè)內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用似乎仍然遙遙無期。唯有北京航天易聯(lián)科技發(fā)展有限公司的太赫茲安檢系統(tǒng)在G20上的出現(xiàn)讓人眼前一亮。遺憾的是，從測試的具體效果來看，還是和TeraView，Brijiot， ThruVision，TeraSense等歐美公司有較大的差距。
產(chǎn)業(yè)的投資可以說并不比歐美遜色，科研機(jī)構(gòu)幾乎覆蓋了太赫茲領(lǐng)域的方方面面，從基礎(chǔ)材料，單個探測器，發(fā)射器組件，到系統(tǒng)級整合應(yīng)用都有所涉及。同時國內(nèi)的的科研單位和研發(fā)企業(yè)的迅猛發(fā)展，讓太赫茲測試測量領(lǐng)域的美國巨頭VDI（Virginia Diodes，Inc）也感到了壓力，不顧企業(yè)利潤，向國內(nèi)停售了起絕大部分高性能設(shè)備及系統(tǒng)。
太赫茲技術(shù)的應(yīng)用
太赫茲波兼具微波和紅外的優(yōu)異特性，同時包含了豐富的物理和化學(xué)信息，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、雷達(dá)通訊、軍事、航空航天、天文觀測等領(lǐng)域。太赫茲科學(xué)技術(shù)是電磁學(xué)、激光物理學(xué)、半導(dǎo)體物理學(xué)等多個學(xué)科的交叉技術(shù)，并且為這些學(xué)科的研究提供了新的研究方法和手段，在基礎(chǔ)物理學(xué)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。
1、太赫茲波成像技術(shù)
太赫茲成像技術(shù)相對于可見光和X射線有非常強(qiáng)的互補(bǔ)特征，其穿透能力介于兩者之間，又不會對人體或生物組織造成傷害。太赫茲波在材料研究、安檢、生物和醫(yī)學(xué)中的各種成像應(yīng)用是目前開展得最廣泛的研究。
太赫茲波成像技術(shù)可以利用相位信息進(jìn)行成像，許多干電介物質(zhì)對太赫茲波段基本是透明的，但是折射率不同會引起太赫茲波相位的變化，從而實(shí)現(xiàn)對不同材料的鑒別。例如使用太赫茲波成像技術(shù)在車站、機(jī)場對行李或旅客進(jìn)行安檢就非常理想，它可以準(zhǔn)確地檢查刀具、槍支、炸藥及非法藥品毒品等。對細(xì)胞水平的生物組織進(jìn)行成像，主要是測量不同組織及其含水量對太赫茲波的吸收引起能量的變化，例如皮癌即及其它組織表層病變的早期診斷等。
通過太赫茲TDS技術(shù)還可以同時探測太赫茲波的相位和振幅變化信息，可以實(shí)現(xiàn)對材料光譜特性的研究，例如測定摻雜半導(dǎo)體載流子的富集度和遷移率和研究高溫超導(dǎo)材料的特性等。
2、太赫茲雷達(dá)和通訊技術(shù)
太赫茲輻射具有比微波更短的波長及更高的時間精度，依此原理研制的太赫茲雷達(dá)可對目標(biāo)進(jìn)行敏感探測與監(jiān)視，太赫茲雷達(dá)在國家安全和保護(hù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
THz頻段的波長遠(yuǎn)小于通常的微波及毫米波頻段的波長,適合于極大信號帶寬和極窄天線波束的實(shí)現(xiàn),有利于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的高分辨率成像,且物體運(yùn)動引起的多普勒效應(yīng)更為顯著,更利于檢測目標(biāo)的運(yùn)動特征。這些特點(diǎn)使得THz雷達(dá)探測系統(tǒng)具有微小目標(biāo)探測、極高分辨率的目標(biāo)成像識別能力。雖然THz頻段的大氣衰減比較嚴(yán)重,但在太空環(huán)境下THz頻段的衰減會大大降低,因此THz探測系統(tǒng)在太空環(huán)境更容易實(shí)現(xiàn)高分辨目標(biāo)探測。
太赫茲通信是指用太赫茲波作為信息載體進(jìn)行的空間通信。因為太赫茲波介于微波與遠(yuǎn)紅外光之間，處于電子學(xué)向光子學(xué)的過渡領(lǐng)域，所以它集成了微波通信與光通信的優(yōu)點(diǎn)。
相對于微波通信而言：l）太赫茲通信傳輸?shù)娜萘扛?。太赫茲波的頻段在108~1013Hz之間，可提供高達(dá)10GB/s的無線傳輸速率； 2）太赫茲波具有更好的保密性及抗干擾能力；3）太赫茲波束更窄、方向性更好、可以探測更小的目標(biāo)以及更精確地定位；4）由于太赫茲波波長相對更短，在完成同樣功能的情況下，天線的尺寸可以做得更小，其他的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也可以做得更加簡單、經(jīng)濟(jì)。
相對于光通信而言；1）用光子能量約為可見光的1/40的THz波作為信息載體，能量效率更高；2）THz波具有更好的穿透沙塵煙霧的能力，它可以實(shí)現(xiàn)全天候的工作。太赫茲波在通過大氣時，由于水蒸氣而導(dǎo)致的強(qiáng)吸收、低效率以及在目前可選的THz源中相對低發(fā)射功率會給太赫茲通信帶來明顯的不利影響，但是，隨著高功率的太赫茲光源、高靈敏度的探測技術(shù)及高穩(wěn)定性系統(tǒng)的日益突破，占有很多優(yōu)勢的太赫茲通信必將指日可待。
THz通信特別適合作衛(wèi)星間、星地間及局域網(wǎng)的寬帶移動通訊。將來利用太赫茲無線網(wǎng)絡(luò)下載一部DVD電影幾乎是“彈指一揮間”，幾秒鐘即可完成。太赫茲與可見光和紅外線相比，它同時具有極高的方向性及較強(qiáng)的云霧穿透能力，使得太赫茲通信可以以極高的帶寬在戰(zhàn)場中進(jìn)行定向、高保密甚至明碼軍事通信。
3、太赫茲波在航天材料領(lǐng)域的應(yīng)用
在材料鑒定方面，大多數(shù)分子均有相應(yīng)的太赫茲波段的“指紋”特征譜，研究材料在這一波段的光譜對于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)以及揭示新的物質(zhì)有著重要的意義。太赫茲技術(shù)非常適合于用來分析分子，可以通過太赫茲波激發(fā)并探測“分子振動旋轉(zhuǎn)狀態(tài)”來進(jìn)行光譜分析。它能有效地激發(fā)分子進(jìn)入各種共振模式，使分子振動或轉(zhuǎn)動。在這一過程中，分子吸收能量，在光譜儀中生成某段頻率的吸收譜線，然后就可以據(jù)此判斷出其中含有那些分子。因此，可以使用太赫茲分析他國衛(wèi)星的組成、結(jié)構(gòu)甚至材料。
由于太赫茲波有較強(qiáng)的穿透率，并且其光子能量低，只有幾個毫電子伏特，穿透時不易發(fā)生電離，因而可用于安全的無損檢測。尤其是對一些塑料泡沫等絕緣材料內(nèi)部的缺陷和裂紋等進(jìn)行無損檢測和成像，在戰(zhàn)略導(dǎo)彈及航空、航天結(jié)構(gòu)材料的檢測和評估方面具有重要的應(yīng)用價值。如對航天飛機(jī)燃料艙的隔熱材料進(jìn)行有效的無損探傷，已被美國宇航局選擇為發(fā)射中缺陷檢測的技術(shù)之一。 美國使用了一套基于光學(xué)技術(shù)的太赫茲波系統(tǒng)，充分證明了太赫茲波可以對航天器燃料艙的隔熱材料進(jìn)行有效的無損探傷。
4、太赫茲波在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用
由于太赫茲波能量低，不會對生物體產(chǎn)生電離危害，能對患者進(jìn)行無損檢測和篩查。另一方面，太赫茲波對水相中物質(zhì)水含量或者化學(xué)物質(zhì)的微小變化極其敏感，不同樣本水含量的差異有利于太赫茲醫(yī)學(xué)診斷研究。太赫茲技術(shù)能夠檢測出經(jīng)過脫水處理或者石蠟包埋處理的樣本間的差異，這說明太赫茲波能夠辨別不同病理組織的組織結(jié)構(gòu)。使用太赫茲光譜鑒別正常和患病的腦組織樣本。 應(yīng)用太赫茲光譜技術(shù)對人腿皮質(zhì)骨進(jìn)行了檢測。研究有助于理解太赫茲波對生物組織的響應(yīng)情況。
另外，太赫茲波空間分辨率高，太赫茲波能夠穿透表皮，太赫茲時域成像技術(shù)使用樣本的振幅和相位信息生成樣本的3D圖像。 采用連續(xù)太赫茲成像技術(shù)對非黑色素皮膚癌進(jìn)行了研究， 利用太赫茲成像技術(shù)對皮下腫瘤和肝炎組織進(jìn)行了研究。因此太赫茲成像作為一種安全、無損的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)對生物組織的檢測和診斷具有重要的應(yīng)用價值和發(fā)展?jié)摿Α?/p>
太赫茲技術(shù)作為一項多學(xué)科的交叉技術(shù)，有其獨(dú)特的優(yōu)勢，并具有廣闊的應(yīng)用前景，隨著太赫茲科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，太赫茲科學(xué)技術(shù)的理論不斷發(fā)展和成熟，伴隨著各類太赫茲源、檢測和傳輸器件的研發(fā)成功，太赫茲技術(shù)必將對國民經(jīng)濟(jì)和國家安全產(chǎn)生重大影響。
