课外研学讲座读书报告
太赫兹频率区间及该电磁波段特点的探究
xxx（04011xxx）
（东南大学 信息科学与工程学院 南京 211189）
摘 要： 太赫兹波段通常是指频率在100GHz~10THz的电磁波，位于红外和微波之间。因为特殊的频段
位置，使太赫兹具有高透，低能等不同于其他电磁波段的特点。这也使得太赫兹有非常广泛的应用前景。本文具体介绍太赫兹的波源，太赫兹电磁波的特点，并探究太赫兹在基础科学，军事，及通讯等不同领域的广泛应用。 关键词： 太赫兹产生；太赫兹特点；太赫兹应用；太赫兹前景
The Research of the Terahertz Frequency Range and the Characteristics of this
Electromagnetism
zzzzzzz
（School of Information Science and Engineering， Southeast University， Nanjing 211189）
Abstract: The Terahertz is a kind of electromagnetic radiation that range from 100GHz to several decades THz. Because of the
special frequency range, the Terahertz has different characteristics compared with other electromagnetic waves. That also makes the Terahertz have a potential applying possibilities. This essay mainly tells something about the source of Terahertz, the characteristics of Terahertz waves, and the applications in basic science, military, and communication, etc. Key Words: THz Production; THz Characteristics; THz Applications; THz Future
大发展，而且对固态电子学和电路技术也将提出重大挑战。
0 引言
太赫兹电磁脉冲或称为THz波（太赫兹波）或称为T射线（太赫兹射线）是从上个世纪80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科学家们将统称为远红外射线。太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长大概在0.03到3mm范围，这一波段的电磁辐射具有很强的透视能力，可以作为一种特殊的“探针”用来对物质内部进行深入研究。太赫兹系统在半导体材料、高温超导材料的性质研究、断层成像技术、无标记的基因检查、细胞水平的成像、化学和生物的检查，以及宽带通信、微波定向等许多领域有广泛的应用。研究该频段的辐射源不仅将推动理论研究工作的重
xxx，东南大学信息科学与工程学院 21311xxxx@
可以预料，太赫兹技术将是21世纪重大的新兴科学技术领域之一。目前，国际上对太赫兹辐射已达成如下共识，即太赫兹是一种新的、有很多独特优点的辐射源；太赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿领域，给技术创新、国民经济发展和国家安全提供了一个非常诱人的机遇。它之所以能够引起人们广泛的关注、有如此之多的应用，首先是因为物质的太赫兹光谱（包括透射谱和反射谱）包含着非常丰富的物理和化学信息，所以研究物质在该波段的光谱对于物质结构的探索具有重要意义；其次是因为太赫兹脉冲光源与传统光源相比具有很多独特的性质。[1][2]
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2 太赫兹的产生以及独特的性质
2.1太赫兹的波源
研究太赫兹波离不开太赫兹波源。在现在的物理和材料科学实验室中, 只有很少单位拥有太赫兹波辐射源, 而在化学实验室中则几乎不存在, 很难进行太赫兹波辐射源的实验。人们需要进行许多实验, 包括从在大气和普通材料中的吸收特征、购置和构建各种简单的光学元件如偏光镜等, 到真正了解电磁波的传播。此外, 在太赫兹波频率范围内产生重大影响的衍射现象等, 也是研究的重要内容。研究太赫兹波在成像、探测、传感和通信等所有的应用系统都离不开基本的太赫兹波能源。在实际应用中, 人们经常要求相关的太赫兹连续波的源频率可调, 源强度达到mW 级以上, 并且能够在室温下工作。目前, 已经开发的太赫兹连续波源的方法有量子级联激光器( QCL ) 、回波振荡器 (BWO) 和光学混频等。但是, 在上述方法中, 1～4 THz 的太赫兹连续波源的功率太低。因此, 必须开发出新的、功率更大的太赫兹波的连续波源。
为了获得太赫兹波源, 原理上既可将截止频率接近THz 的高速、非线性器件的亚毫米波频率范围通过混频和倍频, 上变频到太赫兹波段, 也可以从红外光波段或可见光的泵激光器下变频到太赫兹波段。此外, 还可以采用特种元器件直接产生太赫兹波源, 其主要的途径有: ①真空电子学, 譬如陀螺振子或者自由电子激光器( FEL) , 通常都比较庞大和昂贵, 并且要求很高的工作电压; ②固态电子学方法: 电子器件和光电子器件。电子器件, 可以采用耿二极管, 或者采用电致方法的晶体管振荡器(0 . 5 THz 以下) 和二极管倍频器(频率2. 5THz 以下) , 以及飞秒光脉冲开关。光电子器件,可以采用量子级联激光器, 但是都不能同时满足大功率、高效率和宽带宽的要求, 或者还不能满足室温工作的要求。除了上述的太赫兹波源之外, 人们正在努力利用已有的微电子和光电子技术, 将现有的微电子和光电子器件的工作频率拓展到太赫兹频率范围, 也是一种实现方法的尝试。基于带间跃迁量子机理的半导体器件的频率极限高于与半导体能带隙相关器件的频率, 其大多数体半导体的频率可以达到10THz 以上。但是, 基于经典的电子扩散传输机理的二极管、三极管的高频极限则受限于渡越时间和寄生参数RC 时间常数。即使具有迄今最高的电子迁移率和最小尺寸的器件, 其频率极限也仅在几百吉赫兹以下。然而, 在2002 年首次出现量子级联激光器(QCL) (也称单极带间跃迁激光器)以后, 在几年的时间内就已经获得了许多重要的研究进展, 如采用MBE 或者MOCVD 方法生长材料,获得了太赫
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兹波频率, 不断提高工作温度、增加输出功率(脉冲和连续
波) 、降低阈值电流密度等, 业已表明QCL 是一个很有发展前途的器件。[3]
2.2 太赫兹辐射的独特性质
太赫兹电磁辐射具有很多独特的性质,正是这些特性赋予了太赫兹辐射广泛的应用前景。
相对于高频电磁波,太赫兹辐射的一些基本特征如下： ①高透性:太赫兹对许多介电材料和非极性物质具有良好的穿透性,可对不透明物体进行透视成像,是X射线成像和超声波成像技术的有效互补,可用于安检或质检过程中的无损检测。另外,太赫兹在浓烟、沙尘环境中传输损耗很少,是火灾救护、沙漠救援、战场寻敌等复杂环境中成像的理想光源。
②低能性:太赫兹光子能量为4. 1 meV (毫电子伏特) ,只是X射线光子能量的107 ～108 分之一,该值低于各种化学键的键能。太赫兹辐射不会导致光致电离而破坏被检物质,非常适用于针对人体或其他生物样品的活体检查。另外,水对太赫兹辐射有极强的吸收,所以该辐射不会穿透人体的皮肤,对人体是很安全的。由此,太赫兹辐射是皮肤癌、龋齿洞等医学检测的理想工具。
③指纹谱性:太赫兹波段包含了丰富的物理和化学信息。大多极性分子和生物大分子的振- 转能级跃迁都处在太赫兹波段,所以根据这些指纹谱,太赫兹光谱成像技术能够分辨物体的形貌,鉴别物体的组分,分析物体的物理化学性质,为缉毒、反恐、排爆等提供相关的理论依据和探测技术。
另外，与低频电磁波相比,太赫兹频率较高,可作为通讯载体,在单位时间内可以承载更多的信息。太赫兹辐射方向性很好,可用于战场中的短距离定向保密通讯。利用太赫兹成像还可获得更高的空间分辨率及更长的景深等。
3 太赫兹的应用研究领域
太赫兹科学技术现在已经涉及到了通讯、军事、反恐、医学、安检和天文观测等领域。
太赫兹光谱和成像是太赫兹应用研究的两大基础领域。太赫兹光谱中包含了丰富的物理和化学信息,许多物质在太赫兹波段都有指纹谱。利用太赫兹光谱技术不但可以对样品进行静态的高时间分辨率非接触式的相干测量,也可以探测样品的动态信息,对样品的细微变化进行快速精确的分析和判断。另一方面,由于太赫兹的高透性,太赫兹可对许多非极性物质进行透射成像。但是太赫兹也不是万能的,它不能穿透金属,所以不能对金属容器内部进行检测;另外,水对太赫
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兹辐射吸收很强烈,由此使得太赫兹不能探测水中物体,因而不能对人体进行透射成像。
3. 1 太赫兹在基础学科的中应用
太赫兹科学技术是电磁学、光学、半导体物理学、激光物理学、量子力学、固体物理等学科的交叉,它为这些学科的研究提供了新的方法和手段。太赫兹不仅仅能在量子相干和控制发挥巨大的作用,它在局域化问题、非线性光学、天体物理和大气科学等研究中也有很好的应用。太赫兹还是研究极端条件下物质如火焰、等离子体等的理想工具。
太赫兹科学在化学中研究分子团簇等气相物质的光谱和动力学性质,可为人们提供非共价相互作用的相关信息;研究液体的线性和非线性光谱的细节,能更好的处理诸如溶剂的问题。由于大量有机或无机晶体的声子模式都处在太赫兹频段,利用太赫兹技术可以探测和测量这些晶体的平衡态和动力学过程。另外,利用太赫兹还可以研究材料的表面声子模式和吸附物与表面的相互作用。
太赫兹科学在生物学的研究当中更是如鱼得水,因为许多生物大分子、基团的共振吸收能级都在太赫兹波段。太赫兹光谱技术,对蛋白质的二级和三级结构细节的研究会有很大的帮助;太赫兹技术在DNA、RNA或其相关分子的研究也具有很大的潜力,已经实现了对单个DNA和双排DNA序列的探测,测得了单个DNA的太赫兹光谱,这使得太赫兹科学技术在DNA动力学研究、无标记基因检查、细胞水平成像等领域具有非凡的表现。
3. 2 太赫兹雷达在军事上的应用
以信息技术为核心的现代化战争中,信息化的武器装备比例不断提高,作为一个新的频段资源,太赫兹波技术在军事上有很强的军事应用前景,对国防和国家安全具有重要的应用价值。与微波雷达相比,太赫兹雷达可以探测到更小的目标,实现更精确的定位,具有更高的分辨率和更强的保密性。而与红外雷达和激光雷达相比,太赫兹雷达具有穿透沙尘、烟雾的能力,可以实现全天候工作。基于太赫兹的特有的“穿墙术”,太赫兹雷达可以探测到敌方隐蔽的武器,伪装埋伏的武装人员,以及烟雾、沙尘中的军事装备。
另外,太赫兹雷达还可远程探测空气中传播的有毒生物颗粒或化学气体,引导航空航天器全天候起飞或着陆。利用强太赫兹辐射穿透地面,能探测所埋地下的雷场分布,或者可以进行远程炸弹探测等。太赫兹雷达还是反隐身的利器,不管是基于形状隐身还是涂料隐身,甚至基于等离子体隐身的飞行器,对于太赫兹雷达而言,探测到它们简直是易如反掌,能让他们瞬时“现出原形”。因为太赫兹雷达工作在隐形所
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用的工作波段之外,太赫兹波比毫米波短,可以轻易接收到飞行器的回波,而现有的吸波材料也只是对特定的波段才起作用;至于等离子体,太赫兹波可以在其中传播,所以等离子体隐身技术在太赫兹雷达面前也是无能为力。另外根据太赫兹能够穿透等离子体的特性,可以将其应用到航天飞机或宇宙飞船发射或回收过程当中。这是因为在发射和回收的过程当中,有一段时间由于空气电离会造成发射基地与飞船或航天飞机的通讯中断。而如果利用太赫兹技术,就可以弥补这一点,能保持联络通畅,这是别的技术所无法做到的。
3. 3 太赫兹通讯
现有的短程通讯系统如蓝牙和无线局域网的带宽在10年后将不能满足人们的需求,它们的载波频率也只有几个GHz,超宽带技术也面临着同样的问题,这些系统的数据传输率被限制在1 GB / s。虽然现在固定的点对点通讯系统可以工作到60 GHz,但是上述这些系统只能满足人们10～15年的带宽需求。而在未来的15年之后,通讯系统的数据传输率会超过10 GB / s,而系统的工作频率则是在几十甚至上百GHz,由此短距离通讯系统相应的载波频率则必须随之增大,即达到太赫兹频段。
太赫兹电磁波是很好的宽带信息载体,特别适合作卫星间、星地间及局域网的宽带移动通讯。太赫兹通信可以获得10 GB / s以上的无线传输速度,这比当前的超宽带技术快几百甚至上千倍。将来利用太赫兹无线网络下载一部DVD电影几乎是“弹指一挥间”,几秒钟即可完成。另外,太赫兹与可见光和红外线相比它同时具有极高的方向性及较强的云雾穿透能力,使得太赫兹通信可以以极高的带宽在战场中进行定向、高保密甚至明码军事通信。
太赫兹通讯前景诱人,有人预测在20xx年能够实现太赫兹室内无线通讯。而早在前几年,德国的Braunschweig科技大学基于太赫兹时域光谱系统,利用他们研制的能在常温下工作的半导体太赫兹调制器,成功地进行了0. 3 THz频率点的无线通讯,通讯距离超过了22 m。而国内方面,上海微系统研究所基于QCL和QW IP在20xx年底也成功进行了4. 1 THz频率点的无线通讯演示实验。尽管太赫兹通信取得一些进展,但是它还是处于发展的萌芽阶段,离商用太赫兹无线网络系统还很遥远。开发短距离太赫兹通讯系统会遇到很多的挑战,这是一项长期的研究任务。[4]
结语
太赫兹介于红外和微波之间，使得其具有独特的性质，其独特性能给通信(宽带通信)、雷达、电子对抗、电磁武器、
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天文学、医学成像(无标记的基因检查、细胞水平的成像)、无损检测、安全检查(生化物的检查)等领域带来了深远的影响。由于太赫兹的频率很高，所以其空间分辨率也很高;又由于它的脉冲很短(皮秒量级)，所以具有很高的时间分辨率。[2]
/view/1315147.html.
百度百科.太赫兹技术：太赫兹技术的未来发展/view/456230.html
[3] 袁明文.太赫兹波的几个基本问题[A].
微纳电子技术：46，
太赫兹成像技术和太赫兹光谱技术由此构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。同时，由于太赫兹能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以与X射线相比更具有优势。另外，利用太赫兹技术在深空探测中具有巨大优势，其独具的性能提高深空探测精度及灵敏度。太赫兹在未来发展中还有更加广泛的应用前景。
参考文献：
[1] 百度百科.太赫兹：太赫兹的简介以及应用等
xxx，东南大学信息科学与工程学院 21311xxxx@
2009，(2).
[4] 牧凯军,张振伟 ,张存林.太赫兹科学与技术[A].中国
电子科学研究院学报：3,2009，(2) [5] elecfans.太赫兹技术应用介绍
/tongxin/rf/20110528200145.html
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第二篇：东南大学课外研学讲座计划登记表
东南大学课外研学讲座计划登记表
注1：讲座原则上必须提前一星期申请,将电子版登记表发至seu_edu_srtp2@163.com 注2：主讲人须是教授或以上职称；
注3：主讲人（或主讲人指定的老师）在讲座结束之后需要批改学生提交的报告； 注4：讲座酬金及报告批改酬金由教务处承担；
注5：讲座的最终信息以与讲座中心协定为准。
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