太赫兹波的产生及探测方法综述教程
太赫兹(THz) 科学技术及应用
Chopper
(四) THz波的应用
美国: 主要研究力量
目前全世界有 100个以上的研 究小组在进行 与THz 有关的 研究 欧洲: Teravision, Terabridge Teraview Ltd. 日本: Tera-photonics
台湾: Tera-photonics
China: NNSFC 新的 THz 项目
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三. 在医学成像、诊断上的特殊作用
● MR, CT, PET 在医学成像中发挥很大的作用，但有局限性。
● CT, PET 均采用离子化辐射，可能会引起别的疾病; ● MR 和 CT不能对骨头成像； ● PET 有很高的灵敏度但空间分辨率差。 ● T-ray 成像可能解决上述问题： THz 与 X-ray 的最大区别在于，它在远红外区，光子能量 比 X-ray 小约百万倍，没有离子化辐射问题； THz 频率段正好处在分子相互作用段，它可以给出位置和密 度的信息。可用于分子活动的研究，并给出很高的空间分辨率 （~ 300um）。 它很少散射，使成像很简单，不需要进行散射校正。 THz –ray在成像中的最重要的特性是，在THz –ray 作用下， 不同的分子具有特定的相互作用，可用于在分子尺度上的材料 确定，用于诊断疾病和癌疹的早期发现。 THz –ray可用于计算机照相，THz –ray CT可获得三维分子 或化学的图象，其分辨率可达 um 量级。
1. THz在安全检查上的应用
报纸
尖刀 !!
THz在安全检查上的应用
恐怖分子
T-射线 收发器
人质
当警察需要从屋外确知人质、恐怖分子和武器的详细位置和 状况的时候，我们可否使用THz收发器来帮忙?
2. THz在毒品检测中的应用
太赫兹技术的使用教程
太赫兹技术的使用教程太赫兹技术，作为一种新兴的无线通信和成像技术，近年来备受关注。
它以太赫兹波（THz）为载体，具有较高的穿透能力和较强的物质特征识别能力，被广泛应用于生物医学、安全检测、材料科学等领域。
本篇文章将从太赫兹技术的原理、仪器设备、应用领域以及使用注意事项等方面进行介绍，帮助读者了解太赫兹技术的基本知识和使用方法。
一、太赫兹技术的原理太赫兹技术是通过利用太赫兹波的能量和频率特性进行信号传输和物质分析的一种技术。
太赫兹波位于电磁波谱的红外和微波之间，频率范围约为0.1 THz至10 THz。
太赫兹波可以穿透许多非金属材料，例如纸、塑料、织物等，并且对水和生物组织具有较高的吸收能力。
通过测量太赫兹波在不同材料中的传播时间和幅度变化，可以实现物质的成像和特征分析。
二、太赫兹技术的仪器设备太赫兹技术的仪器设备主要包括太赫兹光源、检测器、样品搬运系统和信号处理系统。
太赫兹光源可以通过激光聚焦和光学晶体产生太赫兹波。
检测器主要有探测天线、光电探测器和射频电子学设备。
样品搬运系统用于将待测样品放置在探测区域，以便对其进行太赫兹波的成像和分析。
信号处理系统负责对采集到的太赫兹波信号进行波形展示和数据分析。
三、太赫兹技术的应用领域太赫兹技术在众多领域都有广泛的应用，以下介绍其中几个主要领域。
1. 生物医学应用太赫兹技术可以通过扫描人体组织，检测病变区域或异常组织。
它对于皮肤癌、乳腺癌等疾病的早期诊断具有很高的准确性。
此外，太赫兹技术还可以用于药物分析和生物分子相互作用的研究。
2. 安全检测应用太赫兹技术在安全检测领域有很大的潜力。
它可以非侵入式地检测爆炸物、药品、毒品等禁止品，并且可以检测出隐藏在包裹、衣物等非金属物体内部的物质。
3. 材料科学应用太赫兹技术可以用于检测和分析材料的物理特性和结构。
例如，它可以检测材料的折射率、吸收系数、介电常数等参数，以及材料内部的微观结构。
这些信息对于新材料的研发和制备具有重要意义。
太赫兹波
太赫兹检测技术1 太赫兹波简介电磁波（又称电磁辐射）是由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面，有效的传递能量和动量。
电磁辐射可以按照频率分类，从低频率到高频率，包括有无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线等等。
太赫兹波(Terahert或称太赫兹辐射、T-射线、亚毫米波、远红外，简称THz) 通常指频率在0.1~10THz (1THz=1012Hz)范围内的电磁辐射。
若以应用频率范围的载体为坐标，则太赫兹波位于“雷达”与“人”之间。
是电磁波谱上由电子学向光子学过渡的特殊区域，也是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区域。
图1 电磁波谱图Fig1 Electromagnetic spectrumTHz波在无线电物理领域称为亚毫米波，在光学领域则习惯称之为远红外辐射；从能量辐射上看，其大小在电子和光子之间。
在电磁频谱上，THz波段两侧的红外和微波技术已经很成熟，但是THz技术还不完善。
究其原因是因为此频段既不完全适和用光学理论来处理，也不完全适合用微波理论来研究，缺乏有效的产生和检测THz波的手段，从而形成了所说的“THz空隙”。
2 THz辐射研究的发展历史与现状上世纪九十年代以后,超快激光技术的迅速发展,为太赫兹脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源。
太赫兹波段各种技术的研究才蓬勃发展起来。
与此同时，半导体物理的研究和材料加工工艺的改进也日趋完善，人们在选择与太赫兹辐射研究相关的半导体材料过程中发现半导体材料有着尤为重要的研究价值，且它们都是常用的半导体材料；同时通过掺杂工艺，改善半导体材料的性质，如载流子迁移率、寿命和阻抗都可以控制调整以适应光电器件的要求，这些半导体制作工艺上的发展促进了相关科学技术的发展。
2.1 THz辐射的特点THz技术之所以引起人们广泛的关注，主要是由于太赫兹电磁波独有的特点，各种物质在这一频段的独特响应及其在特定领域中的不可替代性[1]。
太赫兹科学技术的综述
太赫兹科学技术的综述引言太赫兹科学技术是指利用太赫兹波段的电磁波进行研究和应用的科学领域。
太赫兹波段是指位于红外光和微波之间的频段，频率范围在0.1 THz到10 THz之间。
太赫兹波段具有许多独特的特性，使其在材料科学、生物医学、安全检测等领域具有广泛的应用前景。
本文将对太赫兹科学技术的研究进展和应用进行综述。
太赫兹波的特性太赫兹波有许多独特的特性，使其在科学研究和技术应用中具有广泛的应用前景。
1. 非破坏性：太赫兹波可以透过许多非透明材料，如塑料、陶瓷等，从而可以进行非破坏性的材料检测和成像。
2. 光谱信息：太赫兹波可以提供物质的光谱信息，帮助研究物质的结构和性质。
3. 低能量：太赫兹波的能量较低，对生物体和材料影响较小，使其在生物医学和安全检测中具备潜力。
太赫兹科学技术的研究进展太赫兹科学技术的研究取得了许多重要进展，以下是其中的几个方面：太赫兹波的发射和检测技术太赫兹波的发射和检测是太赫兹科学技术的基础。
近年来，研究人员开发了许多新的太赫兹波发射和检测器件，例如太赫兹波源、太赫兹探测器等。
这些技术的发展大大提高了太赫兹科学技术的研究水平和应用能力。
太赫兹波在材料科学中的应用太赫兹波在材料科学中具有广泛的应用前景。
研究人员利用太赫兹波可以对材料的结构、成分、缺陷等进行非破坏性的检测和表征。
此外，太赫兹波还可以被用于材料的表面和界面分析等领域。
太赫兹波在生物医学中的应用太赫兹波在生物医学领域也有重要的应用价值。
太赫兹波可以透过皮肤、血液等生物组织，对生物体进行非侵入性的检测和成像。
这使得太赫兹波在病理学、药物筛选等领域具有巨大的潜力。
太赫兹波在安全检测中的应用由于太赫兹波对许多非透明材料的透射性，以及对爆炸物、毒品等物质的特异性吸收能力，太赫兹技术在安全检测领域有广阔的应用前景。
太赫兹波可以用于空港、火车站等场所的安全检查，帮助发现隐藏的危险物品。
结论太赫兹科学技术在过去几年取得了令人瞩目的研究进展和应用成果。
太赫兹技术介绍及应用
太赫兹技术介绍及应用
太赫兹技术是指介于红外光和微波之间的电磁波频率范围，通常被定义为0.1 THz到10 THz之间的范围。
太赫兹技术对物质的成像和分析有广泛的应用。
下面将介绍太赫兹技术的原理、仪器和应用。
1. 原理
太赫兹技术的原理是利用太赫兹波通过物体的散射、反射和透射进行成像或分析。
太赫兹波的频率相对较低，穿透力强，可以通过许多材料，例如纸、织物、玻璃等。
它们与被测物体交互作用后，会产生热、电、光效应等信号，这些信号可以被探测器测量并分析，从而了解被测物体的性质。
2. 仪器
太赫兹技术需要的仪器主要有两种：太赫兹时域光谱仪和太赫兹成像仪。
太赫兹时域光谱仪是测量样品的传输函数，通过对波形的测量分析出样品的光学性质、吸收谱、折射率、散射系数等，其工作原理是通过连续的太赫兹脉冲，将样品与一实时分析器相联合，然后通过数学分析得到样品的光学特性。
太赫兹成像仪包括近场太赫兹数字显微镜和太赫兹显微/成像系统。
前者使用狭缝探测器和扫描探头来精准地定位材料的区域，后者使用太赫兹时域光谱仪产生
太赫兹图像，称为太赫兹时域成像仪。
3. 应用
(1)材料科学：太赫兹技术可以用于分析材料的电磁性质和结构，如磁性物质、半导体和光学材料等。
(2)生物医学：太赫兹技术可以用于生物医学领域，比如诊断和治疗，疏通血管等技术。
(3)安全检测：太赫兹技术可以用于安全检测，如物体成像、爆炸物检测、金属物体探测等。
总之，太赫兹技术是一种高速、非侵入式、非破坏性的测试方法，具有许多应用前景，如材料科学、生物医学、安全检测等。
太赫兹
太赫兹THz波（太赫兹波）或称为THz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0.3THz到3THz范围的电磁波，波长大概在0.1mm(100um)到1mm范围，介于微波与红外之间。
随着80年代一系列新技术、新材料的发展，特别是超快技术的发展，使得获得宽带稳定的脉冲THz源成为一种准常规技术，THz技术得以迅速发展，并在实际范围内掀起一股THz研究热潮。
人们关注THz技术的原因是THz射线普遍存在，是人们认识自然界的有效线索和工具。
但是相对于其他波段的电磁波比如红外和微波，对它的认识和应用非常匮乏。
其次，THz射线有它自身的特点。
一、是THz 脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但可以方便地进行时间分辩的研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制远红外背景噪声的干扰。
目前，脉冲THz 辐射通常只有较低的THz 射线平均功率，但是由于THz 脉冲有很高的峰值功率，并且采用相干探测技术获得的是THz 脉冲的实时功率而不是平均功率，因此有很高的信噪比。
二、是THz 脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从GHz 直至几十THz 的范围，许多生物大分子的振动和转动能级，电介质、半导体材料、超导材料、薄膜材料等的声子振动能级落在THz 波段范围。
因此THz 时域光谱技术作为探测材料在THz 波段信息的一种有效的手段，非常适合于测量材料吸收光谱，可用于进行定性鉴别的工作。
三、THz 光子的能量低，只有几毫电子伏特，因此不容易破坏被检测物质。
四、许多的非金属非极性材料对THz 射线的吸收较小，因此结合相应的技术，使得探测材料内部信息成为可能。
太赫兹成像技术与其他波段的成像技术相比，它所得到的探测图像的分辨率和景深都有明显的增加（超声、红外、X－射线技术也能提高图像分辨率，但是毫米波技术却没有明显的提高）。
另外太赫兹技术还有许多独特的特性，如在非均匀的物质中有较少的散射，能够探测和测量水汽含量等等。
太赫兹波光子能量
太赫兹波太赫兹波是指波长在 3μm 到 1000μm 之间，频率为 0.1-10THz，介于微波与红外线之间的电磁波。
太赫兹波不仅拥有与光相同的直进性，还具有与电波相似的穿透性和吸收性。
根据发射源和发射方法的不同，太赫兹波分为两种：（一）、干涉太赫兹波（人工波，单一波），由红外线激光和光电导体共振或激光自由电子与半导体的共振产生。
（二）、太赫兹波（自然光，复合波），包括月亮、星星的光以及宇宙光（暗黑宇宙空间的光）。
二、太赫兹波的应用（一）、医学诊断及成像太赫兹波也具有类似X射线的穿透能力，但其光子能量小，对人体的辐射能量比X光小100万倍，因此不会对人体造成辐射性伤害。
另外，X光穿透性很强，无法细致区分正常细胞与癌细胞，超声波穿透性又稍弱，照射不到细胞内部，只能“看到”直径大于1毫米的癌症肿瘤。
而太赫兹波却恰好能够检测到细胞内部生化信号的变化，分辨出正常细胞和癌细胞的不同。
（二）、安全检查太赫兹可以轻易穿透塑料、衣物、纸盒等非极性和非金属材料，能有效探测和识别出藏在包裹、信件和衣服中的枪支、毒品、炸药等危险品。
分辨爆炸物品和药品的区别，太赫兹可以做到。
目前，利用太赫兹遥感能准确发现30米内的爆炸物品，这是远远优于其他安检手段的，美国ProVision系列已在欧美多个机场投入使用，（三）、通信雷达太赫兹波是很好的宽带信息载体，在网络通信方面有很大的应用前景，尤其在卫星间、星地间的无线通信，高速局域网通信方面具有巨大优势。
太赫兹波的频率是目前手机通信频率的1000倍左右，利用太赫兹波实现超宽带高速无线通信。
当前，国际通讯联盟已指定下一代地面无线通信的频段0.12 THz，太赫兹技术将成为6G或7G通讯的基础，人类将全面进入太赫兹通信时代。
（四）、射电天文在宇宙中，大量的物质在发出太赫兹电磁波，来自星际物质的太赫兹波会包含各种气态分子的信息。
遥远星系的辐射由于宇宙膨胀偏移到了太赫兹波段，因此利用太赫兹波还可以探测宇宙的演化。
太赫兹(THz)技术资料讲解
太赫兹(THz)技术一、基本概念 (1)1. 太赫兹波 (1)2. 太赫兹波的特点 (1)二、国内外研究现状 (2)1. 美国 (3)2. 欧洲 (3)3. 亚洲 (3)三、太赫兹技术的应用 (4)1. 太赫兹雷达和成像 (4)2. 太赫兹通信 (5)3. 太赫兹安全检查 (6)4. 太赫兹无损检测 (7)5. 环境探测 (7)6. 生物医学 (8)7. 天文观测 (8)8. 材料特性的研究 (9)四、太赫兹技术的研究内容 (9)1. 太赫兹辐射源 (9)2. 太赫兹波段信号的探测 (10)3. 太赫兹功能器件 (10)五、我们能做些什么 (10)一、基本概念1.太赫兹波太赫兹(Terahertz)一词是弗莱明(Fleming)于1974年首次提出的，用来描述迈克尔逊干涉仪的光谱线频率范围。
太赫兹(THz, 1THz=1012Hz)频段是指频率从十分之几到十几太赫兹，介于毫米波与红外光之间相当宽范围的电磁辐射区域。
THz波又被称为T射线，在频域上处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，在电子学向光子学的过渡区域。
长期以来由于缺乏有效的THz辐射产生和检测方法，对于该波段的了解有限，使得THz成为电磁波谱中最后一个未被全面研究的频率窗口，被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙”（Terahertz Gap）。
2.太赫兹波的特点THz波具有很多独特的性质。
从频谱上看，THz 辐射在电磁波谱中介于微波与红外辐射之间；在电子学领域， THz辐射被称为毫米波或亚毫米波；在光学领域，它又被称为远红外射线；从能量上看, THz波段的能量介于电子和光子之间。
THz的特殊电磁波谱位置赋予它很多优越的特性，有非常重要的学术价值和应用价值，得到了全世界各国研究人员的极大关注。
THz 波的频率范围处于电子学与光子学的交叉区域。
在长波方向，它与毫米波有重叠，在短波方向，它与红外线有重叠。
在频域上， THz处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区。
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图一 太赫兹波在电磁波谱中的位置
二、太赫兹波的性质
太赫兹波在电子学领域处于亚毫米波区域,在光谱学领域处于远红外区域, 由于处于传统电子学和光子学领域的连接过渡区域,故而太赫兹波相比其他波 段具有很多独特的性质：
1、宽带太赫兹的产生方法
A）光整流法产生太赫兹
光整流是一种非线性效应，是光电效应的逆过程，光整流过程也称为光致 直流电场过程，是一个二阶非线性过程。一般来说，两束光束在线性介质中可 以独立传播，且不改变各自的振荡频率。然而在非线性介质中，它们将会发生 混合，会产生和频振荡和差频振荡现象。
如果入射到非线性介质中的是超短激光脉冲，则根据傅里叶变换理论，一 个脉冲光束可以分解成一系列单色光束的叠加，这些单色光将会在非线性介质 中发生混合。其中，由差频振荡效应会产生一个低频振荡的时变电极化场。这 个电极化场就可以辐射出太赫兹波。这与所辐射出的电磁波的频率上限与入射 激光的脉宽有关，如果入射激光的脉宽在亚皮秒量级，则辐射出的电磁波频率 的上限就会在太赫兹量级，这种效应被称为太赫兹光整流效应。图二所示为光 整流法产生太赫兹波示意图。
（3）低能性：太赫兹波的光子能量很低。1THz 的光子能量通常只有 4meV， 一般是射线光子能量的百万分之一，因此它并不会对生物体和细胞产生有害的 电离，便于对生物体进行活体检验。
（4）相干性：太赫兹波具有很高的空间和时间相干性，辐射是由相干的激 光脉冲通过非线性光学差频产生，或是由相干电流驱动的偶极子振荡产生的， 它具有非常高的空间和时间相干性。它用来研究分析材料的瞬态相干动力学问 题有很大的优势。
另一种较为普遍的等离子体产生太赫兹波方法为四波混频过程辐射太赫 兹。将基频（800nm）和倍频（400nm）光束同时聚焦作用于气体，使气体电离 形成气体等离子体，等离子体作为辐射源向外辐射太赫兹波，该过程的实质是 一个三阶的非线性四波整流（混频）过程，称之为 Four Wave Rectification-FWR （或 Four Wave Mixing-FWM）。 图五为四波混频辐射太赫兹示意图。
激光直接诱导等离子体辐射太赫兹波的原理是有质动力作用于等离子体产 生瞬变的空间电场，这一过程可以看成频率“下转换”机制，即高频的激光 （800nm）经过等离子体后辐射低频的太赫兹波（sub-mm），相当于“高频”能 量转移到“低频”能量。图四为等离子体有质动力产生太赫兹波示意图。
图四 等离子体有质动力产生太赫兹波
（1）宽带性：一个太赫兹脉冲通常包含一个或多个周期的电磁振荡，单个 脉冲的频带很宽，可以覆盖从到几十个的范围，可以在大范围研究物质的光谱 性质。
（2）瞬态性：太赫兹波的典型脉宽在亚皮秒量级，不但可以进行亚皮秒、 飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，而且可以通过取样测量的手段，来有效防止背 景辐射噪音的干扰。
图二 光整流法产生太赫兹波 B）光电导天线产生太赫兹 光电导天线是产生和探测太赫兹波过程中使用最广泛的器件之一，它可以 看作一个光电开关。它是使用高速光电导材料来作为瞬态电流源，从而向外辐 射太赫兹。图三为光电导天线产生太赫兹波示意图。 在这些光电导半导体材料表面上淀积着金属电极制成的偶极天线结构。金 属电极的作用是对这些光电导半导体施加偏压，当超快激光打在两电极的光电 导材料上时，会在其表面瞬间产生大量的电子空穴对。这些光电自由载流子会 在外加偏置电场和内建电场的作用下作加速运动，从而在光电半导体材料的表 面形成瞬变的光，最终这种快速、随时间变化的电流会向外辐射出脉冲。
（5）透射性：除了金属和水对有较强的吸收，对其他物质都有很好的穿透 性，因此波在安全检查和反恐领域的应用前景普遍被人们看好。
（6）很多极性大分子的振动能级和转动能级正好处于频段范围，它们的光 谱包含有丰富的物理和化学信息，因此使用光谱技术分析和研究大分子有着广 阔的应用前景。
三、太赫兹波的产生
太赫兹波的产生方法有多种，据目前的研究阶段，太赫兹波可分为宽带太 赫兹及窄带太赫兹，下面介绍几种不同类型的太赫兹波的产生方法：
太赫兹波的产生及探测方法综述 张洪英
（济南大学 物理科学与技术学院 山东 济南 250022） 摘要：太赫兹产生与探测技术是太赫兹研究领域的重要部分之一，本 文介绍了太赫兹波的性质，综述了目前已知的多种产生与探测太赫兹 波的方法及太赫兹波产生与探测方法的原理，并针对光学混频产生太 赫兹波进行了理论分析。 关键词：太赫兹 太赫兹波性质 太赫兹产生 太赫兹检测 一、引言
图五 四波混频辐射太赫兹 这种用激光诱导气体等离子体产生太赫兹波源方法不但提供了强太赫兹波 辐射，对于揭示深层的激光场相干控制电子轨迹、微观光离化电流的形成都有 重要意义。
2、窄带太赫，如果气体的共振频率处于
太赫兹波段，就会产生激光，此种方法产生的辐射频率一般情况下是不可调的， 而且通常需要一个较大的激光腔，泵浦功率一般超过千瓦。 B）光学混频产生太赫兹辐射
为了有效产生和探测太赫兹波，光电导天线对光电流的开关作用时间必须 在亚皮秒量级。光电导天线“打开”的时间由激光脉冲周期决定，而“关闭” 的时间由天线衬底中的光生载流子寿命决定。
图三 光电导天线产生太赫兹波 C）激光气体等离子体产生太赫兹波
实验中发现，强激光与气体靶、固体靶相互作用都可以产生太赫兹波辐射， 通过将能量为几十微焦的飞秒激光脉冲在空气中聚焦，当激光功率密度达到一 定阈值后，空气分子被强激光迅速电离，电离区域内的气体分子对激光进一步 强烈吸收，气体温度快速升高，导致气体完全电离形成高度电离的空气团（等 离子云）作为辐射源向外辐射太赫兹脉冲。
用可调谐的激光器产生两束频率有微小差别的激光束，把它们进行混频， 同时将它们的拍频调整到波段，把经过混频的激光信号照射进光电导体，光电