太赫兹波段的特性及应用场景_太赫兹波段的特性及应用

太赫兹光谱

太赫兹(THz)辐射通常被定义为100GHz(3mm)到10THz(30m)范围内的电磁频谱区域，介于毫米和红外频率之间。太赫兹波段有几个名称，亚毫米波、远红外波、近毫米波。

电磁波谱中的太赫兹波段如图1所示。

图1太赫兹波段在电磁波谱中的位置示意图

与相邻区域(即微波和光学波段)相比，这部分电磁波谱是研究最少的区域。

这就是为什么用“太赫兹间隙”这个术语来解释这个波段相对于发达的相邻光谱区的初始阶段。这导致来自不同学科(如物理、材料科学、电子、光学和化学)的研究人员研究太赫兹波的各种未探索或较少探索的方面。

太赫兹波的特性

虽然对太赫兹区域的兴趣可以追溯到20世纪20年代，但是仅仅在过去的30年中，该区域才被广泛地研究。这样做的主要动机是在太赫兹频率范围内优异的波特性和广泛的可能应用。

太赫兹波具有夹在中间的两个波段的中间特性。

这些属性可以总结如下：

穿透：太赫兹辐射波长比红外长；因此，与红外波(微米范围)相比，太赫兹波散射更少，穿透深度更好(厘米范围)。因此，干燥的非金属材料在这个范围内是透明的，但在可见光谱范围内是不透明的。

分辨率：与微波相比，太赫兹波的波长更短；这提供了更好的空间成像分辨率。

安全：太赫兹波段光子能量远低于X射线。因此，太赫兹辐射是非电离的。

光谱指纹：许多分子的振动间和振动内模式都在太赫兹范围内。

发展太赫兹频段的挑战

虽然太赫兹波段有几个迷人的特点，太赫兹技术也有一些具体的挑战。与相邻波段相比，太赫兹场不发达的主要原因是缺乏高效、相干、紧凑的太赫兹源和探测器。

在普通的微波频率源(如晶体管或RF/MW天线)和工作在可见光和红外范围内的器件(如半导体激光二极管)中都可以发现源的这些特性。然而，在不显著降低功率和效率的情况下，用这些技术在太赫兹区域中操作是不可能的。

在太赫兹频段低端，一般使用固态电子器件；但由于电抗效应和传输时间长，这类设备有1/f2的滚降。另一方面，由于缺乏带隙能量足够小的材料，二极管激光器等光学器件在太赫兹范围内表现不佳。

太赫兹频段的另一个挑战是高损耗。太赫兹波在大气条件和潮湿环境中具有高吸收性。图2描述了整个电磁波谱的大气衰减。

图二。不同大气条件下的海平面衰减：雨=4mm/h；雾=100米能见度；STD=7.5g/m3水蒸气；2STD=15g/m3水蒸气。

显然，太赫兹波段的信号衰减远远超过微波和红外波段。这部分是因为水分子在这个范围内共振。

太赫兹波的不利大气特性使其成为适合以下两种情况的工作频率区域：

航天：在太空中，环境接近真空，水滴造成的信号吸收衰减不是问题。此外，星际尘埃的光谱特征位于太赫兹区域。因此，太赫兹技术在射电天文学中得到了广泛的应用，如欧洲航天局推出的赫歇尔空间天文台。

短程：对于短程应用，大气衰减可以忽略，特别是对于高吸收频率。这使得更容易去除/识别这些窄线的影响。因此，太赫兹技术是一种资源非常丰富的物理和化学基础研究工具。此外，对于具有高数据速率的短距离无线通信来说，它也是一种有吸引力的选择。

太赫兹辐射的应用

太赫兹辐射可以用于许多潜在的应用，包括太赫兹成像、光谱学和无线通信。

生物医学成像是太赫兹成像的一个子类。太赫兹波在人体组织中可以穿透数百微米；因此，太赫兹医学成像可以应用于皮肤、口腔、乳腺癌和牙科成像的表面诊断。此外，太赫兹系统在安全应用、固体爆炸材料检测和邮件筛查方面具有潜在市场。最后但同样重要的是，太赫兹成像是一种方便的半导体封装检查方法。

太赫兹光谱是一项非常强大的技术，可以用来表征材料的性质，了解它们在这个波段的特性。太赫兹光谱增强了对许多单晶、微晶和有机分子粉末样品的吸收特性的理解。

图3示出了用于识别麦芽糖分子的振动模式的测量结果的样本。

图3。太赫兹时域光谱系统测量麦芽糖的振动光谱。上图显示了在没有麦芽糖样品的情况下测量的太赫兹信号。下图中的箭头表示麦芽糖分子的振动频率。插图显示了麦芽糖的分子结构。

太赫兹光谱在生化科学中有应用，例如DNA特征和蛋白质结构的分析。生产过程的在线控制是太赫兹光谱的另一个潜在应用，它可以提供非接触和实时测量。由于太赫兹频率的高吸水性，太赫兹光谱可以被主动操纵以区分水合物质和干燥物质。例如，在造纸工业中，太赫兹光谱已经被制造商用于监测纸张的厚度和水分含量。

在一些应用中，如无损检测，太赫兹成像和光谱同时使用。例如，在艺术史的调查中，太赫兹成像和光谱学有助于对文物进行成像，以揭示艺术品不同层的厚度，并显示材料的类型。

图4显示了Preghiera Madonna(左)的可见照片和基于0.5-1 THz之间的综合光谱的涂色太赫兹图像(右)。

图4。(a)preg hiera圣母像的可见照片(b)preg hiera圣母像在0.5和1THz之间的综合光谱上的太赫兹图像。

太赫兹成像提供了绘画底层的信息，具有几十微米量级的突破性细节。

此外，太赫兹成像和光谱学是用于检查药物固体剂型、片剂包衣和活性药物成分的两种强大的定量和定性非侵入性方法。例如，图5显示了在THz区域包衣过程中，在相同的包衣时间下，8片片剂的包衣厚度的变化。

图5。每片的平均包衣厚度和包衣时间之间的关系。该图显示了同样包衣时间为120分钟的八片片剂的包衣厚度图(微米)。片剂之间的包衣厚度差异很大。太赫兹波段的潜力

在20世纪末和21世纪的第一个十年，当大量的太赫兹实验室实验正在进行时，研究人员主要集中在各种潜在的太赫兹应用上，并取得了非常有前景的结果。事实上，这些迷人的实验结果是许多研究人员深入研究太赫兹场并从不同方面进行探索的巨大动力和动力。

由于近年来太赫兹研究领域的不断进步，太赫兹系统和应用正在一些商业应用中找到它们的位置。然而，为了使太赫兹波在现实世界场景中竞争并克服其他技术，必须解决和/或改进各种问题。例如，需要高功率和紧凑的太赫兹源，太赫兹测量系统应该小型化，需要更快的太赫兹束扫描方法，太赫兹系统应该具有更低的成本。

另一个新兴的研究领域是太赫兹无线通信。这是特别需要的，因为它允许5G以上的高速无线通信。因此，需要各种研究走向成熟，充分发挥太赫兹频段的潜力。