太赫兹科学与技术进展-张希成
太赫兹科学技术研究的新进展
太赫兹科学技术研究的新进展一、本文概述随着科学技术的飞速发展，太赫兹（Terahertz，简称THz）科学技术研究逐渐成为全球范围内的热点领域。
太赫兹波，位于微波和红外线之间，其频率范围在1-10 THz，具有独特的物理和化学性质，如高穿透性、低能量性和宽带信息等，使得太赫兹波在通信、生物医学、安全检查等领域具有广阔的应用前景。
本文旨在综述近年来太赫兹科学技术研究的新进展，包括太赫兹波的产生、检测、成像技术，以及其在不同领域的应用案例，以期为太赫兹科学技术的进一步发展和应用提供参考和借鉴。
在本文中，我们首先简要介绍太赫兹波的基本概念和特性，然后重点综述太赫兹波的产生和检测技术的最新研究进展，包括光电导天线、光整流、差频产生等太赫兹波产生方法，以及光电导采样、相干采样、热释电探测等太赫兹波检测技术。
接着，我们将介绍太赫兹成像技术的发展和应用，包括透射式太赫兹成像、反射式太赫兹成像和扫描式太赫兹成像等。
我们还将讨论太赫兹波在通信、生物医学、安全检查等领域的应用案例，以及太赫兹科学技术面临的挑战和未来的发展趋势。
通过本文的综述，我们期望能够全面展示太赫兹科学技术研究的新进展，为相关领域的研究人员和技术人员提供有益的参考和启示，推动太赫兹科学技术的进一步发展和应用。
二、太赫兹波产生与检测技术的新进展近年来，太赫兹波产生与检测技术取得了显著的进展，为太赫兹科学技术的深入研究与应用提供了有力支持。
在太赫兹波产生方面，新型太赫兹源的研究与开发成为热点，如基于光电子学等离子体、量子级联激光器等技术手段的太赫兹源，不断推动太赫兹波产生效率与稳定性的提升。
太赫兹波导与天线技术的发展也加速了太赫兹波在空间中的高效传输与辐射。
在太赫兹波检测方面，新型太赫兹探测器与成像技术的突破为太赫兹波的应用打开了新的领域。
通过改进材料结构与工艺，太赫兹探测器的灵敏度和响应速度得到了显著提升。
太赫兹成像技术在生物医学、安全检查等领域的应用逐渐普及，为疾病的早期诊断与安全监控提供了有力手段。
太赫兹波谱与成像技术
太赫兹波谱与成像技术太赫兹波又称远红外波，它是电磁波段中最后一段未被人类充分认识和应用波段，太赫兹技术曾被评为“改变未来世界的十大技术”之一。
由于频率高、脉冲短、穿透性强，且能量很小，对物质与人体的破坏较小，所以与X射线相比，太赫兹成像技术和波谱技术更具优势，在空间探测、医学成像、安全检查、宽带通信等方面具有广阔的前景。
液态水具有吸收太赫兹光波的性能，因此一直被认为不可能充当太赫兹波的光源。
但近日，首都师范大学特聘教授张希成带领团队利用飞秒激光脉冲首次证明，液态水也能产生太赫兹波。
发表在最新一期《应用物理快报》上的这一重要研究成果，将为太赫兹波在无线数据传输、工业质量管控及高清成像等领域的广泛应用提供一种全新的可能。
太赫兹波也叫远红外波，是频率在0.1到10太赫兹范围的电磁波。
由于频率很高、脉冲很短，太赫兹波时间和空间的分辨率都很高，且太赫兹能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以与X射线相比，太赫兹成像技术和波谱技术更具优势，在宽带通信、医学成像、无损检测、安全检查、粮种菌种选择等方面具有广阔的前景。
物质有四种状态：固态、气态、液态和等离子态，之前研究已经证明，固态、气态和等离子态物质都可以用来产生太赫兹波，但液态物质产生太赫兹波还没获得证明。
新研究中，张希成团队创造性地利用自由流动的一层超薄水膜（不到200微米厚），成功让液态水产生太赫兹波，从而将液态物质囊括进太赫兹光源的队伍。
他们向水膜内聚焦飞秒激光脉冲，将水分子离子化，产生自由电子，最终放射出太赫兹波。
太赫兹波的波长分布有以下四个特点：一、穿透率：太赫兹辐射的波长比红外波长长，因此，与红外波（在微米范围内）相比，太赫兹波具有更少的散射和更好的穿透深度（在厘米范围内）。
因此，干燥的非金属材料在这个范围内是透明的，但在可见光谱中是不透明的。
二：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。
三、安全性：太赫兹波段的光子能量远低于X射线。
太赫兹光谱技术检测水分及水合作用的研究进展
Advances in Analytical Chemistry 分析化学进展, 2018, 8(1), 1-10Published Online February 2018 in Hans. /journal/aachttps:///10.12677/aac.2018.81001Research in Moisture and HydrationDetection by Terahertz Time DomainSpectroscopyLiping Liu1*, Yufei Wang1, Yazhou Zhang1, Fei Yang2, Maojiang Song21School of Food and Drug Manufacturing Engineering, Guizhou Institute of Technology, Guiyang Guizhou2Guizhou Institute of Metrology, Guiyang GuizhouReceived: Jan. 11th, 2018; accepted: Jan. 25th, 2018; published: Feb. 5th, 2018AbstractThe terahertz (THz) radiation occupies a large portion of the electromagnetic spectrum between the microwave and infrared bands. It refers to the frequency between the 0.1 THz to 10 THz (the wavelength is 3 mm to 30 μm). Since it possesses many attractively characteristic properties, THz imaging and sensing technologies can provide information not available through conventional methods such as microwave and X-ray techniques. THz waves contain rich information involved in molecular vibration and rotation, and have sub-picoseconds pulse width, low photon energy, and high space-time coherence. Combined with the terahertz imaging systems of transmission type and reflection type, a general review of its application in medical applications, forestry products, agriculture/food products by using THz time domain scan-imaging technology is provided. The achievements and the problems to be solved are also discussed. We also reviewed the water structure and interaction in the solution detected by terahertz time spectroscopy and conducted the research of our study.KeywordsTerahertz, Spectroscopy, Moisture Imaging, Moisture Detection, Water Interaction太赫兹光谱技术检测水分及水合作用的研究进展刘丽萍1*，王煜斐1，张亚洲1，杨霏2，宋茂江21贵州理工学院，食品药品制造工程学院，贵州贵阳*通讯作者。
太赫兹科学技术研究的新进展
要 开 发 和 利 用 太 赫 兹波 ，自然 需要 先 将 太 赫 兹 波 检测 出来 ， 而太赫 兹波 因为光源 的低发 射功 率和 比较 高 的热 背景 ， 需要 不 断提 高接收 的灵敏 度 ， 才能 检测得 出。 针对 不 同频 率 的太赫 兹波 段 ， 使用 的检 测器 往往 有所 差 别， 高端部分的检测器应该灵敏度更好一些。现在对于 宽波 段 最 常使 用 的检 测 方法 是 基于 热 吸收 的直接 探 测 ， 常用 装置 是 热辐 射测 量仪 ， 灵 敏度 最高 的是 单光 子探 测 器 。在检 测 速度 方面 ，目前 的检测 速度 还有 所 限制 ， 不 过科 学家 们 已经开 始设 想高 速检测 并积 极投 入研 究 中。
作 者 简介 ： 曾祥峰 ，广 州市 西关外 国语 学校 ，研 究 方向 为物 理 。
在 形 成太 赫 兹系 统之 时 ， 要有 太赫 兹 辐射 的产 生 ， 还 要有 检测 器 能够检 测得 出 ， 最后 还 需要 一些 功 能器件 去进 行 内部 连接 ，比如 说传 输系 统和 谐振 系统 等 ，这样 才 能将 太赫 兹波 真正应 用到 实 际中去 。 在太 赫 兹传输 中 ， 最 主 要用 到 的 就是 以波导 为基 础 的太 赫 兹 器件 ，因此 ， 科 学家 们在 这方 面研 制 出不少产 品 ， 比如 光子 晶体波 导 、 光子 晶体 光 纤等 。光子 晶体 是用 来 制造 太赫 兹功 能器 件 的主 要物 质 ， 其特 性主 要 是可 以引入杂 质和 缺 陷 ， 破 坏 其严 格 的周 期结 构 ， 利 用 这些 缺 陷部分 的变 化 ， 使得 光 子 晶体 各种 性能 得 以实现 。例 如 ， 利用 光子 晶体 的 局域 态 可 以制 备分 束 器 等 ， 而利 用 其某 些 独特 的光 学特 性 ， 可 以制备 高 效光放 大器 、无 阈值激 光器 等 。 ２ ． ４ 太 赫 兹 波 的 实际 应 用
21世纪待开拓的THz新频段
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一种基于MEMS工艺的新型THz喇叭天线的设计与仿真
一
种基于 Ｍ Ｍ Ｅ Ｓ工艺的新型 Ｔ ｚ Ｈ 喇叭天线的设计与仿真 木
郭 林， 黄风义 ， 旭升 唐
（ 东南大学信息科学与工程： 提出了一种太赫兹（Ｈ ） Ｔ ｚ天线结构 ： Ｍ Ｍ 工艺的 Ｔ ｚ 基于 Ｅ Ｓ Ｈ 角锥喇叭天线。采用电 磁场仿真软件Ａ ｓｔ ＦＳ １ ｎｏ Ｓ 对所 ｆＨ １
＝ ５． 。 ＝ ４ ７ （） ４
本文所提出的喇叭天线结构要依靠常规 Ｍ Ｍ 工艺 ＥＳ
和硅 衬底 的加 工技 术 来 实 现 ． 线衬 底 采 用厚 度 为 天
本文采 用 的硅 晶圆厚 度为 ４０ｔ 所 以 ： ８ ｍ， ａ
ｈ Ｒ ＝ ＋ 日 ４０ｔ ＋ Ｅ Ｒ ＝ ８ ｍ ａ （） ５ 为 了得 到 天线 的最佳 尺寸 ， 采用 Ａ ｓｆＨＦＳ １ 天 ｎｏｔ Ｓ １ 对
１ Ｂ ｃｖｒｄ ｉ ｈ ｎ ｒｓ ｄ ｂｎ （ ． Ｈ ５ｄ ｏｅｅ ｎ ｔｅｉｔ ｅｔ ａｄ ２ ５ Ｔ ｚ～３ ５ Ｔ ｚ ｗｔ ｅｕ ｏｓｂｔ ｒｔａ － ５ ｄ ． ｈ ｒｐ ｓ ｅ ｅ ． Ｈ ） ｉ ａｒｔｒ ｌ ｅ ｅ ｈｎ ２ Ｂ Ｔ ｅｐｏ ｏｅ ｈ ｎ ｓ ｔ ｄ
的增 益 ， 较好 的方 向性 ， 低的 电压 驻波 比 ， 较 较好 的频 率 特性 。 大 的功 率 容 量 和 简 单 的结 构 等 优 点 ｌ 较 １ 引。
Ｇ：— Ｇ＝——下 一
—
『ｐ 一 ａ
Ａ
ｆ （ ３）
其中 占。 为喇叭天线的 口径效率 。根据硅 晶圆的 晶体结构 ，１０ 面和（ １ ） （０ ） １１ 面之间的倾角为 ５ ． 。 ４７ ， 所以喇叭腔体的倾角应该满足 ：
ａｔｎ ａｃｎｂ ｒｃｓｅ ｙｔｅＭＥ ＳＴ ｃ ｎｌ （ Ｏ ｔ ｉｇｏ ｌ ｏ ） ｉ ｗｆ ｒ ａｉ ｏｔＴ ｅａ ｔ ｎ ｎｅ ｎ ａ ｅｐｏｅｓｄｂ Ｍ ｅ ｈ ｏ ｇ Ｋ Ｈ ｅｃ ｎ ｓｉ ｎ ｗｔ ｌ ｂｉ ｔ ｎｃｓ ｈ ｎ ｎ ａｉ ｈ ｏ ｙ ｈ ｆ ｉｃ ｈｏ ａ ｃ ｏ ． ｅ ｓ
太赫兹科学技术的新发展
太赫兹科学技术的新发展一、本文概述随着科技的飞速发展，太赫兹科学技术已成为一个备受瞩目的新兴领域。
太赫兹波，位于微波与红外线之间，具有独特的物理和化学性质，使得其在众多领域，如通信、生物医学、安全检查等，展现出广阔的应用前景。
本文旨在全面概述太赫兹科学技术的最新发展，探讨其基础原理、技术挑战和应用前景，以期为推动该领域的发展提供参考和启示。
我们将简要介绍太赫兹波的基本概念和特性，阐述其在不同领域的应用价值和潜力。
随后，我们将重点回顾近年来太赫兹科学技术在基础理论、关键技术和实际应用方面所取得的重大突破和进展。
在此基础上，我们将讨论当前太赫兹科学技术所面临的挑战和问题，并探讨可能的解决方案和发展方向。
我们将展望太赫兹科学技术的未来发展趋势，预测其在不同领域的应用前景，并探讨如何进一步推动该领域的发展。
通过本文的阐述，我们希望能够为读者提供一个全面、深入的太赫兹科学技术发展新视角，促进该领域的学术交流和技术创新，推动太赫兹科学技术在各个领域的应用和发展。
二、太赫兹波产生与检测技术的发展随着科学技术的飞速发展，太赫兹波（Terahertz, THz）产生与检测技术已成为当前研究的热点领域。
太赫兹波位于微波与红外线之间，具有独特的物理和化学性质，因此在通信、生物医学、安全检查等领域具有广泛的应用前景。
近年来，太赫兹波产生与检测技术的发展取得了显著的进步，为太赫兹科学技术的应用提供了有力支持。
在太赫兹波产生方面，研究者们不断探索新的方法和技术。
目前，已经发展出了多种产生太赫兹波的方法，如光电导天线、光整流、差频产生等。
其中，光电导天线是最常用的方法之一，它通过将超短激光脉冲照射在光电导材料上，产生瞬态电流并辐射出太赫兹波。
随着激光技术和光电导材料的发展，光电导天线产生的太赫兹波功率和频率范围得到了显著提高。
在太赫兹波检测方面，研究者们同样取得了重要进展。
目前，已经有多种太赫兹波检测技术被开发出来，如光电导采样、相干探测、热释电探测等。
太赫兹时域光谱技术用于老化炸药检测
第31卷,第5期 光谱学与光谱分析Vol .31,No .5,pp1305-13082011年5月 Spectro sco py and Spectr al Analy sisM ay ,2011 太赫兹时域光谱技术用于老化炸药检测孟 坤,李泽仁,刘 乔中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳 621900摘 要 库存炸药老化情况的检测对炸药的性能、安全性和稳定性研究意义重大。
现有的老化炸药检测手段,如扫描显微技术,傅里叶变换红外光谱技术,气相色谱-质谱技术等,或者不能分辨炸药老化与否,或者只能从表观上进行分析,不能反映炸药分子结构的变化。
首先应用密度泛函理论(DF T ),计算了炸药老化前后分子吸收频谱变化,从计算结果可以看出炸药分子老化前后的吸收光谱在老化前后变化明显;然后分析了太赫兹时域光谱(T Hz -T DS )系统及其分辨率和测量频谱范围,结合已有实验结果以及太赫兹波本身的特点,从可行性、准确性和实用性三方面对太赫兹时域光谱技术应用于炸药老化检测进行了论证,从而提出了应用太赫兹时域光谱技术进行炸药老化检测的新方法。
关键词 太赫兹;时域光谱;炸药老化中图分类号:O 433 文献标识码:A D OI :10.3964/j .issn .1000-0593(2011)05-1305-04 收稿日期:2010-06-29,修订日期:2010-09-29 基金项目:中国工程物理研究院科学技术发展基金项目(2008B0403038)资助作者简介:孟 坤,1984年生,中国工程物理研究院流体物理研究所硕士研究生 e -mail :mengk unsdu @yahoo .com .cn引 言 炸药的老化会影响到炸药的性能、安全性和稳定性[1-4],对库存炸药的老化情况的检测具有重要意义,一直是世界各国军方关注的重要问题。
炸药老化对一些炸药的机械性能以及爆炸性能有着显著的影响,如图1所示GI -920炸药老化过程中爆速和爆压的变化[1]。
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一块火鸡骨头的T-射线 一块火鸡骨头的 射线 CT
Reconstructed Image
火鸡骨头
刊登了我们T-射线 CT 研究的杂志有: 医学设备和诊断工业，高 级专业成像与辐射疗法，工业电视 (旧金山)，每日邮报，光电子 杂志，诊疗世界，医学设备和诊断新闻， RT 成像，商业周刊。
18 /~zhangxc
80 时间延迟 (ps)
120
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射线成像 飞行时间 T-射线成像 射线
T-ray imaging is fast being recognized as a powerful diagnostic technique.
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Young’s Experiment
a pair of slits T-ray
20
X (mm)
10
0
0
14 Time (ps)
27
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Frequency Dependent T-rayT-Ray Interference Diffraction from Young’s Young’s Interference
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T-Ray Image of A Letter Contains Powders
Image a letter It contains powders
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T-射线用于对抗生物恐怖主义 射线用于对抗生物恐怖主义 射线
微波
MF， HF， VHF， UHF， SHF， EHF
光子 (quantum transition)
x-射线 γ –射线
可见光
100
103
106
109
1012
1015
1018
1021
1024 Hz
dc
kilo
mega
giga
tera
peta
exa
zetta
yotta
频率 (Hz) 1 THz ~ 1 ps ~ 300 m ~ 33 cm-1 ~ 4.1 meV ~ 47.6 K
1 1 1 + = z z′ f v
0.75THz 1.24THz 1.57THz Fresnel lens sensor
z
21
Laser Focus World August issue
/~zhangxc
Future Work for T-Ray Imaging
1
International Symposium of Ultrafast Phenomena and Terahertz Radiation /~zhangxc
NRC Report: Harnessing Light
“A particularly novel and unexpected application of femtosecond light pulses is the generation of terahertz radiation, or T-rays. T-rays in the wavelength range of 0.05 to 1 mm provide a new technology for imaging hidden items and some invisible materials properties.” --- 1998 电子 THz 间隙 (classical transport)
Tomographic imaging system offers cross-sectional information within a target, provides functional imaging. Problems need to be solved: [1] Imaging Time should be from hours to less than one minute, with a target time of a few seconds. [2] Imaging Area should be from 2 cm to 20 cm, with a target area of 40 cm. [3] Imaging Resolution should be from 3 mm to sub-mm, with a target resolution of 0.1 mm. [4] Imaging Distance should be from 20 cm to 2 meter, with a target distance of a few hundred meters.
2 /~zhangxc
Wave’s Nature: Diffraction
single hole T-ray
3
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Diffraction from a Hole (φ=1.8 mm) φ
2 0.5 THz 2 1 THz
一个球状物体(φ 一个球状物体 φ=36 mm)的T-射线 CT成像 的 射线 成像
Photo Reconstructed Image
在 Laser Focus World上发表的一篇图文, 5 月, 2002
19 /~zhangxc
2-, 4-, and 8-Level T-Ray Fresnel Lenses
10 /~zhangxc
T-Ray Imaging and Tomography
Why T-ray imaging modality? Functional imaging! T-ray imaging with standard x-y scan Transmission and reflection mode Tomography T-ray computed tomography (CT) T-ray diffractive tomography (DT) Tomography with a binary lens and a broadband pulse
2 0.5 THz 2 1 THz
cm
cm
0 1.5 THz 1 2
1
0
0 0 2 2 THz
1
1
2
cm
2
cm
0 1 2
01Biblioteka 0 0112
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T-射线 的一些重要特性 射线
T-射线 具有较低光子能量 (4 meV @ 1 THz) ，不会在 生物组织中产生有害的光致电离。 很多有机分子由于偶极子的旋转和震动跃迁, 在 GHz 到 THz 频段，都具有很强的吸收和色散；分子的这些 光谱特征使得T-射线 鉴别成为可能。 T相干T-射线 信号瞬时电场的强度和相位可以同时被测 量; 这样我们就可以通过对T-射线 进行时域探测，获得 THz 吸收光谱和色散光谱。 THz 时域光谱提供了非常高的信噪比，而且对黑体辐 射 (热背景)不敏感。
Recent Progress for THz Science & Technology
X.-C. Zhang (张希成 张希成) 张希成
Center for THz Research Rensselaer Polytechnic Institute, USA
THz Group at Rensselaer
2-Level
4-Level
8-Level
S. Wang, et al, OL, 27, 1183 (2002).
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Tomography with a T-Ray Binary Lens
simultaneously image 3 targets at different frequencies
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Prof. Ci-Ling Pan’s THz Lab (Clean-Room)
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THz Lab at Capital Normal University of Beijing
24
9
22% gas sensing 5%
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Research Highlights in Year 2002
Solid state THz laser (Italy and UK) High power THz source from Jefferson Lab (US) T-ray tomographic imaging (US) THz resonant structure for label-free DNA detection (Germany) T-ray for biological and chemical agents sensing and imaging (US) THz radiation from semiconductor under strong B field (Japan) Nonlinear THz wave spectroscopy (US) THz wave quantum optics and quantum computing (US) THz wave for medical application (Europe and US)
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THz Lab at National Normal University of Taipei
A fiber laser as a source
信封中。 THz像中其吸收/ 散射清晰可见， 但是为了准确地辨别，需要对样品 的THz 响应进行全面的分析。
Thurengiensis 杆状菌 孢子被放入
信封中的“炭疽热”病菌粉末成像
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T-射线 透视衣物？ 射线 透视衣物？