什么是太赫茲？太赫茲有哪些優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用？
太赫茲（Tera Hertz，THz）是波動(dòng)頻率單位之一，又稱為太赫，或太拉赫茲。等于1,000,000,000,000Hz，通常用于表示電磁波頻率。太赫茲是一種新的、有很多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)的輻射源；太赫茲技術(shù)是一個(gè)非常重要的交叉前沿領(lǐng)域，給技術(shù)創(chuàng)新、國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家安全提供了一個(gè)非常誘人的機(jī)遇可能引發(fā)科學(xué)技術(shù)的革命性發(fā)展。
特點(diǎn)
量子能量和黑體溫度很低，如表1所示。
許多生物大分子的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)頻率都處于THz波段，所以利用THz波可以獲得豐富的生物及其材料信息。
THz輻射能以很小的衰減穿透如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等物質(zhì)。
THz的時(shí)域頻譜信噪比很高，使THz非常適用于成像應(yīng)用。
瞬時(shí)帶寬很寬(0.1～10THz)，利于高速通信。
應(yīng)用
太赫茲成像技術(shù)和太赫茲波譜技術(shù)由此構(gòu)成了太赫茲應(yīng)用的兩個(gè)主要關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)，由于太赫茲能量很小，不會(huì)對(duì)物質(zhì)產(chǎn)生破壞作用，所以與X射線相比更具有優(yōu)勢(shì)。
THz時(shí)域光譜技術(shù)
目前已經(jīng)開始商業(yè)化運(yùn)作，世界范圍內(nèi)已經(jīng)有多家企業(yè)開始生產(chǎn)商用THz時(shí)域光譜儀，主要是中國(guó)，美國(guó)，歐洲和日本的廠家。THz時(shí)域光譜技術(shù)的基本原理是利用飛秒脈沖產(chǎn)生并探測(cè)時(shí)間分辨的THz電場(chǎng)，通過傅立葉變換獲得被測(cè)物品的光譜信息，由于大分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)大多在THz波段，而大分子，特別是生物和化學(xué)大分子是具有本身物性的物質(zhì)集團(tuán)，進(jìn)而可以通過特征頻率對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物性進(jìn)行分析和鑒定。一個(gè)比較重要的應(yīng)用可以作為藥品質(zhì)量監(jiān)管。設(shè)想一下制藥廠的流水線上安裝一臺(tái)THz時(shí)域光譜儀，從藥廠出廠的每一片藥都進(jìn)行光譜測(cè)量，并與標(biāo)準(zhǔn)的藥物進(jìn)行光譜對(duì)比，合格的將進(jìn)入下一個(gè)環(huán)節(jié)，否則在流水線上將劣質(zhì)藥片清除掉，避免不同藥片或不同批次藥片的品質(zhì)差異，保證藥品的品質(zhì)。
THz成像技術(shù)
跟其他波段的成像技術(shù)一樣，THz成像技術(shù)也是利用THz射線照射被測(cè)物，通過物品的透射或反射獲得樣品的信息，進(jìn)而成像。THz成像技術(shù)可以分為脈沖和連續(xù)兩種方式。前者具有THz時(shí)域光譜技術(shù)的特點(diǎn)。同時(shí)它可以對(duì)物質(zhì)集團(tuán)進(jìn)行功能成像，獲得物質(zhì)內(nèi)部的折射率分布。例如葵花籽可以和容易獲得葵花子的內(nèi)部信息。圖3-4 給出了葵花籽樣品的實(shí)物照片和相應(yīng)方法重構(gòu)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，那么牙齒的正常部分與損蛀部分將很容易的區(qū)分開，同時(shí)不必照射x射線，對(duì)人體沒有附加傷害。
安全檢查
利用安全檢查應(yīng)該說是現(xiàn)階段最吸引人的THz技術(shù)，它的本質(zhì)原理是THz成像，目前由于目前主要采用連續(xù)波THz源，而且又由于它要解決的是目前最受人關(guān)注的反恐、緝毒等最讓人關(guān)注的問題，所以單列出來。目前英國(guó)發(fā)展的THz安檢設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入試用階段。由于THz射線的穿透性和對(duì)金屬材料的強(qiáng)反射特性，并且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(nèi)的刀具、槍械等物品。同時(shí)如果結(jié)合THz的物質(zhì)鑒別特性，能夠區(qū)分你身上是否攜帶炸藥或毒品。首都師范大學(xué)THz實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)建立了常見的炸藥和毒品的數(shù)據(jù)譜庫，可以設(shè)想再過幾年，可以真正在機(jī)場(chǎng)見到真正的THz安檢的設(shè)備。另外，世界范圍內(nèi)引起社會(huì)動(dòng)蕩的自殺式炸彈恐怖襲擊，也可以利用THz安檢設(shè)備進(jìn)行防范。因?yàn)檎緧彽目梢圆辉偈鞘勘虮０踩藛T，而是THz安檢儀，人們不需要靠近可疑分子就可以對(duì)其進(jìn)行檢查。
THz雷達(dá)
實(shí)際上也是成像的一種。鑒于大氣中水分對(duì)THz射線的強(qiáng)吸收作用，所以近距離雷達(dá)是THz射線的優(yōu)勢(shì)所在。一個(gè)非常讓人向往的應(yīng)用是穿墻雷達(dá)和探雷雷達(dá)，當(dāng)然也可以用于抗震救災(zāi)中遇難者的搜救，目前還處于研發(fā)階段。這是由于墻壁，木材等材料對(duì)THz透過，而人體包含大量水分，不透過THz，因此可以透過墻壁偵查到屋內(nèi)的人員的分布和活動(dòng)，將反恐怖反綁架起到深遠(yuǎn)的影響，同理也可以用于廢墟下人體的尋找。而探雷雷達(dá)是由于地雷一般在地表或地表附近，而干燥的泥土可以透過THz射線，而地雷將會(huì)把THz射線反射回來，從而可以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。
天文學(xué)
在宇宙中，大量的物質(zhì)在發(fā)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(jìn)行探測(cè)。而這些物質(zhì)在應(yīng)用THz技術(shù)以前一部分根本無法探測(cè)而另一部分只能在海拔很高或者月球表面才可以探測(cè)到。
通信技術(shù)
THz用于通信可以獲得10GB/s的無線傳輸速度，特別是衛(wèi)星通信，由于在外太空，近似真空的狀態(tài)下，不用考慮水分的影響，這比當(dāng)前的超寬帶技術(shù)快幾百至一千多倍。這就使得THz通信可以以極高的帶寬進(jìn)行高保密衛(wèi)星通信。雖然由于缺乏高效的THz發(fā)射天線和源，使其還無法在通信領(lǐng)域商業(yè)化，但這必將由新型的發(fā)射裝置和發(fā)射源所解決。
太赫茲輻射
德國(guó)研究人員利用超級(jí)計(jì)算機(jī)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，利用強(qiáng)烈的太赫茲輻射，可實(shí)現(xiàn)在不到萬億分之一秒內(nèi)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(zhǎng)介于毫米波與紅外線之間的電磁輻射區(qū)域。一太赫茲等于一萬億赫茲。
德國(guó)電子同步加速器研究所報(bào)告說，強(qiáng)烈的太赫茲輻射可引發(fā)水分子劇烈震動(dòng)，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(nèi)加熱至600攝氏度。
報(bào)告指出，一納升水雖然聽起來不多，但對(duì)很多實(shí)驗(yàn)來講已經(jīng)足夠。一皮秒比一眨眼的時(shí)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(shí)踐，但研究人員表示，水在許多化學(xué)與生物過程中扮演重要角色，新發(fā)現(xiàn)或可為化學(xué)與生物領(lǐng)域提供更多實(shí)驗(yàn)可能。
生物醫(yī)學(xué)
中國(guó)工程院院士杜祥琬院士指出，在所有物理技術(shù)中，電磁波技術(shù)對(duì)醫(yī)學(xué)的促進(jìn)作用尤其突出。從1901年X線獲得第一屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)開始，已有5項(xiàng)與生物醫(yī)學(xué)相關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)授予了X光譜技術(shù)領(lǐng)域。
太赫茲技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用，生物大分子相互作用是重大生命現(xiàn)象與病變產(chǎn)生的關(guān)鍵動(dòng)因，而太赫茲光子能量覆蓋了生物大分子空間構(gòu)象的能級(jí)范圍。該頻段包含了其他電磁波段無法探測(cè)到的直接代表生物大分子功能的空間構(gòu)象等重要信息。因此，可以發(fā)展一種利用太赫茲探測(cè)和干預(yù)生物大分子相互作用過程的新理論和新技術(shù)，為當(dāng)前重大疾病診斷、有效干預(yù)提供先進(jìn)的技術(shù)手段。
中國(guó)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(guó)家對(duì)太赫茲源、探測(cè)器及成像系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)與儀器設(shè)備的大力支持，我國(guó)已基本具備開展太赫茲生物醫(yī)學(xué)研究的基礎(chǔ)。
其他
此外，太赫茲在半導(dǎo)體材料、高溫超導(dǎo)材料的性質(zhì)研究等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。研究該頻段不僅將推動(dòng)理論研究工作的重大發(fā)展，而且對(duì)固態(tài)電子學(xué)和電路技術(shù)也將提出重大挑戰(zhàn)。
目前，籠統(tǒng)的說THz技術(shù)的研究主要圍繞三大部分內(nèi)容展開，THz產(chǎn)生源、THz探測(cè)和應(yīng)用研究。目前最大的困難還是沒有高功率便攜式連續(xù)可調(diào)的成本較低的THz發(fā)射源和滿足現(xiàn)實(shí)要求的濾光片，另外也沒有能夠常溫下直接探測(cè)太赫茲射線的被動(dòng)式探測(cè)器。
