太赫兹波的特点及其在国家安全等方面的应用

    太赫兹(THz)波在电磁波谱上位于微波和红外线之间，是人类目前尚未完全开发的波谱“空隙”区。近十几年，伴随着一系列的新技术、新材料的发展和应用，尤其是超快激光技术的发展，极大地促进了对太赫兹辐射的机理、检测、成像和应用技术的研发，使其迅速成为一门新的极具活力的前沿领域。由国内外的研发成果表明，太赫兹技术在物理、化学、材料、生物、医学、信息、通信、国家安全等领域，具有重大的科学价值和广阔的应用前景。本文介绍太赫兹波的特点及其在国家安全等方面的应用，并展望其发展前景。 

    太赫兹(THz＝1012Hz)波是指频率在0.1THz-10THz(波长在30μm-3mm)之间的电磁波，在电磁波谱上位于微波和红外线之间。在20世纪80年代中期以前，由于缺乏有效的产生方法和检测手段，科学家对该波段电磁辐射性质的了解非常有限，是电磁波谱中唯一没有获得较全面研究并很好地加以利用的最后一个波谱区间，是人类目前尚未完全开发的电磁波谱“空隙”区。 

    近十几年，伴随着一系列的新技术、新材料的发展和应用，尤其是超快激光技术的发展，为太赫兹波脉冲的产生提供了稳定可靠的激发光源，从而极大地促进了对太赫兹辐射的机理、检测、成像和应用技术的研发，使其迅速成为一门新的极具活力的前沿领域。由国内外的研发成果表明，太赫兹技术在物理、化学、材料、生物、医学、信息、通信、国家安全等领域，具有重大的科学价值和广阔的应用前景。下面介绍太赫兹波的特点及其在国家安全等方面的应用，并展望其发展前景。

    太赫兹波的特点

    由于太赫兹波的频率范围是处于电子学和光子学的交叉区域，因此太赫兹波的理论研究是处在经典理论和量子跃迁理论的过渡区，其性质表现出一系列不同于其它电磁辐射的特殊性，从而也使其具有许多方面不同的应用。 

    太赫兹波的特点主要表现如下： 

    1、穿透能力强 

    由于太赫兹波对衣物、塑料、陶瓷、硅片、纸张、干木材等物质具有较好的穿透性能，从而可用来探测X射线、可见光、红外线探测不到的材料内部的缺陷和隐藏物； 

    2、光子能量很低 

    由于太赫兹波的光子能量很低，它穿透过物质时，不易发生电离，因而可用来进行安全的无损检测； 

    3、可区分材料的结构和种类 

    由于不同物质在太赫兹波谱区具有不同的吸收和色散性质，而很多凝聚态物质和生物大分子的振动和转动能级又落在太赫兹波段，因而可通过太赫兹光谱测量获得其特征光谱，所以可用于区分材料的结构和种类等； 

    4、对水分的吸收很敏感 

    由于太赫兹波对水分的吸收很敏感，当探测如树叶、生物组织等含有水分的物质时，可表征水分的含量和分布，因而可用于生物医学成像和光的检测等； 

    5、可得到高分辨率的清晰图像 

    利用适当的小孔或针尖，太赫兹波成像可以达到较高的空间分辨率，并获得微波成像难以得到的高分辨率的清晰图像； 

    6、可提供进行时间分辨光谱测量 

    由于太赫兹波频谱范围是位于微波和红外线之间，是电子学和光子学研究的交叉领域，其瞬态性和相干性提供了进行时间分辨光谱测量的条件，从而可通过电光取样获得时间分辨的电场变化信息，并且同时得到其电场振幅和相位的测量，可为太赫兹时域光谱学提供基础等。 

    太赫兹波在国家安全等方面的应用

    由于太赫兹波上述的特殊性，因而其应用非常广泛，这里主要简介一下它在国家安全等方面的应用。 

    可进行非接触的安全检测与识别 

    由于太赫兹波对衣物、塑料、陶瓷、硅片、纸箱、干木材等物质具有较好的穿透性能，尤其对塑料、纸箱等有很强的穿透力，可用来对已包装好的内部货物，以及人体身上的隐藏物进行成像，因而可用来进行非接触的安全检测，并识别是否有爆炸物、化学或生物危险品、毒品、武器等。尤其可用来进行邮件监测，识别邮件内的隐藏物，如邮件炸弹等。因此，太赫兹技术现己受到了反恐、公安、保安等部门和海关、机场、车站检查等方面的重视。 

    可进行远程监视与探测 

    由于太赫兹辐射具有比微波更短的波长及更为精确的时间检测装置，因而可作成太赫兹雷达对目标进行敏感探测与监视，它可探测比微波雷达更小的目标和实现更精确的定位。因此，太赫兹雷达在国家安全与军事上有广阔的应用前景。 

    一般，雷达主要靠接收目标的反射信号来发现目标，如果目标表面能使雷达波被吸收或散射，就可大大减小被对方雷达发现的概率，从而达到隐形的目的。通常，用吸波材料构成的隐形目标只对很窄的一个波段适合，所以常规的窄带微波雷达无法有效探测雷达截面很小的隐形飞机。而太赫兹雷达发射的太赫兹脉冲包含了丰富的频率，可使隐形飞机的窄带吸波涂层失去作用。并且，这种宽带太赫兹雷达波，对扁平形博边缘不会像普通雷达那样形成共振吸收而减弱反射强度，它仅能产生很小的共振面而使反射波强。这种太赫兹雷达可以GW级和成千上万种频率发射纳秒以至皮秒级的脉冲，使它拥有许多普通雷达所没有的优点和能力。 

    总之，由于雷达主要是用来探测空中目标方位和距离的，而超宽带太赫兹雷达以其高的距离分辨率、强穿透力、低截获率、强抗干扰性以及优越的反隐身能力，而完全可用于对国家安全的远程监视与探测。 

    此外，利用太赫兹技术还可进行远距离成像、多光谱成像、以及三维立体成像，在战场上用于显示前方灰尘或烟雾中的坦克等。 

    可用于通信 

    由于太赫兹波是很好的宽带信息载体，显然它比微波能做到的信道数多得多，尤其适合于卫星间、星地间及地面局域网的宽带移动通信。如星际通信、短程大气通信等。目前，太赫兹波通信收发机的原理实验已经开展，作为宽带无线通信手段正在研发中。如欧盟等发达国家正进行该方面合作项目的开发，不久将会有产品出现。 

    可用于无损检测 

    由于太赫兹波有强的穿透力，且其光子能量很低，只有几个毫电子伏特，穿透时不易发生电离，因而可用来进行安全的无损检测。尤其是对一些塑料泡沫等绝缘材料内部的缺陷和裂痕等进行无损检测和成像，在航空、航天结构材料的检测和评估方面具有重要的应用价值。如对航天飞机燃料舱的隔热材料进行有效的无损探伤，被美国宇航局选择为发射中用来进行缺陷检测的技术之一。 

    此外，还可用于大规模集成电路的质量检测，如可拍摄到封装在IC芯片中的封装的金属引线等。 

    可用于DNA的检测与识别 

    因为很多蛋白质和DNA的集团振动模式从理论上预言是处于太赫兹波段的，所以可用来进行DNA的检测与识别。带有DNA和其他生物分子的压片已经使用太赫兹方法得到了复数的折射率，在低频红外激发的模式上存在着大量的吸收。 

    DNA的分析，是利用鉴别核酸上的碱基序列而开发并进一步应用的。根据折射率的不同，利用太赫兹光谱，已经具有分辨单股和双股DNA的能力。最近，又得到了检测飞摩尔灵敏度的单碱基对变异的识别能力。从而可对DNA进行较好的检测与识别。 

    可用于生物和医学的检测与诊断 

    氨基酸和蛋白质等生物大分子的无标志识别，太赫兹医学成像和层析成像，可在生物和医学诊断与检测中得到广泛应用。尤其是在用于皮肤病和乳腺癌等的检测与诊断方面，国际上已取得了一定的进展。 

    目前，太赫兹的近场成像技术已经使其分辨能力达到了波长以下的尺度，太赫兹显微成像的分辨力已经达到几十微米，能清晰地看到皮肤与乳腺中的肿瘤，从而可用于进行皮癌与乳腺癌的诊断。 

    此外，利用太赫兹射线的生物探头，可探测糖蛋白avidin和维生素H的混合物。太赫兹技术还能对烧伤进行探测，可对烧伤的深度及程度进行准确地标定。 

    可用于对食品的质量检测 

    人们的食品安全也很重要，太赫兹技术还可用于对食品进行质量检测。如在肉制品的检测中，因为瘦肉吸收太赫兹射线，而脂肪对太赫兹频带几乎是透明的，利用这种特性即可对肉制品进行质量检测；对塑料膜包装的食品，可用反射太赫兹波强度来测量其表面水分的含量，从而可以确定其新鲜的程度等。 

    除此之外，太赫兹技术还可用于大气污染检测以及天文学的研究中等，这里就不叙述了。

    结语

    由上可知，太赫兹技术是一门新的极具活力的前沿领域，其应用非常广泛。目前，世界各国均争相发展自已的太赫兹技术，我国也不例外。但总的看来，太赫兹技术的研究仍然处于初级阶段，还存在着许多亟待解决的问题。 

    随着科学技术的不断发展，现在太赫兹技术领域的新理论、新现象、新方法和新应用层出不穷，太赫兹系统已经实现了小型化，连续辐射的产生技术也将使太赫兹技