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太赫兹成像技术概念及原理解析
一、太赫兹成像技术概念及原理解析
太赫兹技术简介
太赫兹(Terahertz,1THz=1012Hz)泛指频率在0.1~10THz波段内的电磁波,位
于红外和微波之间,处于宏观电子学向微观光子学的过渡阶段。太赫兹辐射是
0.1~10THz的电磁辐射,从频率上看,在无线电波和光波,毫米波和红外线之间;从能
量上看,在电子和光子之间·在电磁频谱上,太赫兹波段两侧的红外和微波技术已经非常
成熟,但是太赫兹技术基本上还是一个空白,其原因是在此频段上,既不完全适合用光学
理论来处理,也不完全适合微波的理论来研究。
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大发展,而且对固态电子学和
电路技术也将提出重大挑战。
远距离穿墙术,铸就反恐作战新利器。
如果问一下驻伊美军最怕的是什么,那答案肯定是路边炸弹,防不胜防的路边炸弹,
成了驻伊美军不寒而栗的“头号杀手”,以至于让美国海军陆战队司令迈克尔·哈吉认为:
“这种相对低级的武器将成为未来战争的一个标志。”在美军撤离伊拉克之前路边炸弹造
成的伤亡一度不绝于耳。与此同时,不断发生的细菌邮件、包裹炸弹和自杀式袭击也令人
神经紧绷。似乎在传统威胁面前,高新技术也无能为力,事实真是如此吗?太赫兹的穿墙
透视能力或许能够扭转这种被动局面。
太赫兹的频率很高、波长很短,具有很高的时域频谱信噪比,且在浓烟、沙尘环境中
传输损耗很少,可以穿透墙体对房屋内部进行扫描,是复杂战场环境下寻敌成像的理想技
术。未来城市及反恐作战中,借助太赫兹特有的“穿墙术”,可以对“墙后”物体进行三
维立体成像,探测隐蔽的武器、伪装埋伏的武装人员和显示沙尘或烟雾中的坦克、火炮等
装备,进而拨开战场迷雾。
另外,太赫兹成像技术在塑料凶器、陶瓷手枪、塑胶炸弹、流体炸药和人体炸弹的检
测和识别上,更是“明察秋毫”,利用强太赫兹辐射照射路面,还可以远距离探测地下的
雷场分布。如此,士兵们不需要再靠近可疑地段或人员便可以对其进行检查。与耗资较高、
作用距离较短、无法识别具体爆炸物的X射线扫描仪相比,太赫兹成像具有独特优势,目
前已经初步应用于检查邮件、识别炸药及无损探伤等安全领域。
二、太赫兹波特征及应用
1、太赫兹波特征
太赫兹技术之所以成为科学前沿关注的对象,是因为太赫兹处于电磁波段中的特殊位
置,与其它波段的电磁波相比具有许多独特的性能。
1.1、与短波长的电磁波相比:
(1)THz波的典型脉宽在亚皮秒量级,可以进行亚皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱
研究,通过取样测量技术,能够防止背景辐射噪音的干扰。目前太赫兹辐射强度能够得到
的探测效果,远远优于傅立叶变换红外光谱的探测技术,并且太赫兹技术稳定性也很高。
(2)太赫兹波源通常包含若干个周期的电磁振荡,频带覆盖范围很宽。单个脉冲的
频带可以达到GHz到几十THz的范围,可以在大范围内分析研究物质的光谱特性。
(3)太赫兹辐射的产生机制决定了THz波具有很高的时间和空间相干性。而运用太
赫兹时域光谱技术可以直接测量出太赫兹电场的振幅和相位,更为方便地提取测量样品的
相关物理信息。
(4)太赫兹波段中正好对应许多特定材料的能隙,他们的太赫兹光谱会存在明显的
特征吸收。比如许多有机大分子、违禁易爆品等对THz波呈现出强烈的吸收和色散特性;
利用THz波特有的光谱特征可做指纹识别。所以生物探测、危险爆炸物品检测将成为太赫
兹技术重要发展前景之一。
(5)THz波的光子能量很低,约为x射线光子能量的1/10,更是远远低于各种化学
健的键能,因此它对活体生物组织不会造成电离损伤。可以应用THz技术研究酶的特性、
进行DNA鉴别等。另外由于水分子、氨分子等大多数极性分子对太赫兹波有非常强烈的
吸收,所以太赫兹波不能穿透人体的皮肤,因此即使很强烈的太赫兹辐射,它对人体的影
响也仅仅停留在皮肤表层,而不像微波那样直接穿透到人体的内部。这一点可以应用在对
旅客身体以及生物样品的探测检查,可做为X射线成像检测手段的有益补充。
(6)THz辐射对于很多非极性物质,如电介质材
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