200 中国科学基金 ·学科进展与展望 太赫兹波(TeraHertz)科学与技术 贾刚+ 汪力 张希成 (*类国伦塞勒工学院物理系，美国纽约州特洛伊市： 千吉杯大学电子科学与工程学院，长春130023；牛中国科学院物理研究所，北京100080 【摘要]本文介绍了太赫兹波的一些重要性质，太赫兹液的产生和探测技术，以及目前国际上在 太赫兹波的老础研究和应用基础研究方面的最新进展，并简单讨论了大赫兹波技术的发展前景。 [关键词]太赫兹波，发射器，探测器，成像 太赫兹波通常定义为频率从0,1一10太赫兹范 围内的电磁波。现在研究较多的中心区通常在 0.3一3太赫兹范围内 太是兆兆 译，所以太赫兹 Tea)的英文音 电磁波也被称为T射线，属于远红外 线和重毫米波范琦。这一频率范围内的电磁波具有 丰富的科学内容和广阔的应用前景。 虽然至少在上一世纪20年代就有人对太赫兹 产生了浓厚的科学上的兴趣2，但是由于它夹在微 图！太赫兹空白区在电题波谱中的位置 波和红外线中间，在技术上它夹在传统的微波技术 和光学技术中间，所以相当长一段时期很少有人同 (2)T射线的光子能量较低，颜率恰好是一太赫 津电磁波谱的这一波段，以至于形成远红外线和亚 兹时，光子能量只有大约四老电子伏特，因此不能 老米波空白区，也就是太赫兹空白区（如图1所 物组如 有害的光电离和破坏，适合于对生物 示)。最近十多年来，由于用超快激光激发产生T射 组织进行活体检查。 线系统的发展，促使对太赫兹空白区的研究有 (3)通过测量脉冲相干太赫兹电磁波信号的时 大发展。但是与其他波段电 磁波谱技术相比依然处 域被形，可以得到包括振韬和相位的光谱数据，直接 于不发达状态，如果要使太赫兹波科学和技术达到 给出吸收谱和色散谱，或复介电常数，复电导率 比较完善的程度，可能还需要四分之一个世纪。 (4)利用已发展的电光测量或偶极天线测量 1太赫兹电磁波的独特性质 术，可以得到具有很高的信噪比的太赫兹电磁波时 域谱，并且具有对黑体辐射或者热背景不敏感的优 (1)凝聚态体系的声子吸收很多位于太赫兹 点。 段，自由电子对太赫兹波也有很强的吸收和散射，太 由于以上这些独特的性质，人们对太赫兹波的 赫兹光诺分析是研究凝聚态材料中物理过程的一个 研究兴趣与日俱增。现在世界范固内从事太赫兹不 很好的工具。特别对许多有机分子在太赫兹电磁波 学与技术研究的课题组已超过一百个，其中美国， 段是现出强烈的吸收和色散特性。这些特性是与有 洲，日本和中国台湾等国家和地区均投入了大量的 机分子的转动和振动能级相联系的偶极跃迁造成 的。利用T射线有可能通过特有的光谱特征识别有 人力和物力资源。20世纪90年代初，几年内发表 机分子，就像用指纹识别不同的人一样。 的关于脉冲太赫兹波的论文总共只有儿十篇，而到 20世纪末统计，11年来发表的关于脉冲太赫兹波的 本文于205月8日收到 94-2016 China Academie Joural Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.ne
0 0 2 中 国 科 学 基 金 理刃 年 2 2 · 学科 进展与 展望 . 太 赫 兹波 ( T e e t H a r r z )科 学与技 术 贾 冈弓 ` 卞 汪 力 幸 张希成 ` 二 美 国伦 塞勒 工 学 院物理 系 , 美 国纽 约州特 洛伊 市 ; 卞吉林大 学 电子 科学 与工 程 学院 , 长 春 13 00 23 件 中国 科 学院物理 研 究所 , 北 京 1 0 0 8 0) 〔摘 要 〕 本文介 绍 了太 赫 兹波 的一 些重 要性质 , 太赫 兹 波 的产 生和探 测技术 , 以及 目前 国 际 上在 太 赫兹 波的基础 研 究和 应用基 础研 究方面 的最新进 展 , 并 简单 讨论 了太 赫兹 波技术 的发展 前景 。 〔关键 词 ] 太 赫兹 波 , 发射 器 , 探测器 , 成像 太赫 兹波通 常定 义为频率 从 0 . 1一 10 太 赫兹 范 围 内 的 电磁 波 。 现 在 研 究 较 多 的 中 心 区 通 常 在 0 . 3一3 太 赫 兹 范 围 内 。 太 是 兆 兆 ( eT ar ) 的英 文 音 译 , 所 以 太赫兹 电磁波 也被称 为 T 射 线 , 属 于远红外 线 和亚毫 米波范 畴 。 这一频 率范 围内的 电磁 波具有 丰富的科学 内容 和广 阔的应用 前景川 。 虽然 至少在 上一 世 纪 20 年代就 有 人 对 太赫 兹 产生 了浓厚 的科 学 上 的兴 趣川 , 但是 由于它 夹 在微 波和红 外线 中间 , 在 技术 上 它夹 在 传 统 的微 波技 术 和光学 技术 中间 , 所 以 相 当长一 段 时期 很 少 有人 问 津 电磁 波谱的这 一 波 段 , 以 至 于 形成 远 红外 线 和 亚 毫米 波 空 白 区 , 也 就 是 太 赫 兹 空 白 区 ( 如 图 1 所 示 ) 。 最 近 十多年来 , 由于用超快 激光激 发产生 T 射 线系统 的发展 , 促使 对 太 赫 兹空 白区 的研 究有 了很 大发展 。 但 是与其 他波段 电磁 波谱技术相 比依然 处 于不发 达状态 , 如果 要 使 太赫 兹 波科 学 和 技术 达 到 比较完 善的程 度 , 可 能还需 要 四分 之一个 世纪 。 r份甲. “ 粉 币阅 T比 、 30 0 脚 1 内 3 3 e m , 、 4 J m时 、 47 6 叹 图 l 太赫兹空 自区 在电磁 波谱 中的 位置 1 太 赫 兹 电磁 波 的独 特 性 质 ( l) 凝 聚态 体 系 的声 子 吸收 很 多位 于 太赫兹 波 段 , 自由电子 对太赫兹波也 有很强 的吸收 和散射 , 太 赫兹 光谱分析 是研究 凝聚态 材料 中物理过 程 的一 个 很好 的工 具 。 特别对许 多有 机分子 在太赫 兹 电磁 波 段 呈 现 出 强烈 的吸 收 和色散特 性 。 这 些特性是 与有 机分子 的 转 动和 振 动 能 级 相 联 系 的偶 极 跃 迁 造成 的 。 利用 T 射线 有可能通 过特 有的光 谱特征识 别有 机分子 , 就像用指纹识 别不 同 的人一 样 。 ( 2 ) T 射线 的光子 能量 较低 , 频 率恰 好 是一 太 赫 兹 时 , 光子 能量 只有大 约四 毫 电子伏 特 , 因此 不能对 生物 组织产 生有 害 的光 电离 和破 坏 , 适 合 于对 生 物 组织 进行 活体检查 。 ( 3) 通过测 量 脉 冲相 于 太 赫 兹 电磁 波信号 的 时 域 波形 , 可 以得 到包括振 幅 和相位 的光谱数 据 , 直 接 给 出吸收谱和色 散谱 , 或 复介 电常数 、 复 电导 率 。 ( 4 ) 利用 已 发 展 的 电光 测量 或 偶 极 天线 测 量技 术 , 可 以 得 到具有 很 高的信 噪 比 的太 赫 兹 电磁 波 时 域谱 , 并且具有 对 黑 体辐 射或 者 热 背 景不 敏 感 的优 点 。 由 于 以 上这些 独 特 的性 质 , 人们 对 太赫 兹波 的 研究 兴趣与 日俱增 。 现在 世界范 围 内从 事太赫 兹科 学与 技术研究 的课题组 已 超过一 百个 , 其中美国 、 欧 洲 、 日本和 中国台湾等国家和地区均投人 了大量的 人力 和物力 资源 。 20 世 纪 90 年代初 , 几 年 内发表 的关 于脉 冲太赫 兹 波 的论 文 总共 只 有几 十篇 , 而 到 2 0 世纪 末统计 , 1 年来 发表 的关 于脉 冲太赫 兹 波 的 本文 于 2 0 2 年 5 月 8 日 收到
第4 贾刚等：太林袋波(Tee)科学与技术 201 论文超过1100篇。所研究的问题涉及物理，材料、 3对大林兹波本身的研究 信息，生物和医学等多个领城 3.1电磁场对太赫兹波产生过程的影响 2太赫兹波发射器和探测器 用飞秒激光脉冲激发 半导体产生真实瞬态电流 21太赫兹波发射器 而发射太赫兹电磁波时，光电导偶极发射天线的作 太赫兹波发射源可以分为四大类：(1)激光器 晋电压越大，发射的太赫兹波也越强：当利用品体自 包括自由电子激光器和气体激光器 它们输出的 身的去面场来暇动载流子产生太袜效被，在某些 赫兹波平均功率最高。(2)电子发射器，包括耿日 品体取向情况下，用飞秒激光脉冲激发半导体不产 (Cn)振荡器.有洛桂(Boh)振荡器和冷等离子体 生向流射的太波，这时可以通过施加磁场，在 等，这类发射器结构紧凑，浩价较低，但日前尚未实 洛伦兹力的作用下产生太赫兹波。 改变磁场的力 用化。 (3)光电导偶极天线，目前使用较多的是条形 句，还可以控制太赫兹波的极性 和蝶形结构。通过施加偏置电压，用中等功率的 3,2太赫兹波的传输 (1)自由空间的太林兹被的传输可以果用常规 光脉冲激发，能够产生脉冲功率很高的太赫兹波 4)飞秒激光脉冲激发的半导体品体，特别是其中的 的光学技术。为了控制太林兹被的传输，可以利用 傲物面倍和超半球硅诱镜等光学元件准有或聚焦太 电光品体。用飞秒激光激发半导体品体产生太林兹 电磁波脉冲有两种方 种是用光子能量大于半 ,最近，用硅衬底研制出的费涅尔透镜或费 导体禁带宽度的 冲藏光照射半导体，使半导体中 二元光学元件 产生电子，空穴对，在电场中产生载流子的瞬态输 (2)太恭兹波在波导中的传输可应用于近场太 运，这种直实的暖态电流的变化，便会发射太赫兹电 棒莎被程件，太赫益波互联、太袜数波准光学密和 磁辐射：另一种方案是用飞秒激光脉神照射属于电 现太林兹波谱的超灵故测量。已经开展的研究有太 光品体的导体品体，过敌中光整流效应生大 赫兹电磁射 此类太赫兹波脉冲具有很宽的 赫兹脉冲在圆形和矩形金属波导中的传输、单模太 波在蓝宝石光纤中的传输 单模太赫兹波在 2.2太赫兹波探测器 乙烯介质带平板波导中的传输，太赫兹脉冲通过细 小孔径、通过薄的和厚的金属狭缝的传输，以及太林 太赫兹波探测器目前也可以分为四大类：(1)拓 滋光子品体波导的研制等 它使用方便 (3)太林滋油在气体液体和周体中的传潘能及 但只能做非相干检测，不能获得相于 的相位信息 介质的吸收特性、相移持性和散射持性等。这 (2)电子探测器，其特点是成本较低，结构紧凑。(3 太赫兹波 物质相互作用研究的 个重要领 光电导偶极天线及其阵列，特点是其路电流和噪声 就 在近平透明的材料中 相移特性可以直接分析 较低。(4)用飞秒激光取样的电光品体。用飞秒藏 时间波形的变化来获得。散射特性研究目前主要足 光触发的电光品体探测器的特点是具有极宽的频 进于以米氏(e)散射为主的研究 响应和非常高的测 量信噪比 此外，测量孔径大，因 而也活合于二维直接成像测量 4 电光检测方法又可 太赫兹波的应用研究 分为时分检测和波分检测。时分检测是用飞秒激光 相干的太赫兹脉冲具有很宽的频谱带宽，通过 脉冲对太赫蕊波时间波形进行取样测量。而波分检 对样品太赫兹波的测量和研究，可以获得材料中的 是利用且右足够游居寇的盟秋激光歌冲在由 光品体中将太赫兹脉神的时域液形 次复制到 秋 许多信息，因此太赫兹波具有广阔的应用前景。跨 学科的合作研究已经形成一个技术领域，常常称之 激光脉冲的各颜率分量上，再通过对明秋脉冲的光 为太赫戴技术2 谱测量得到太赫兹波形。电光品体也可以与条纹像 4.1利用频谱的应用研究 机相结合，直接测量太赫兹电磁脉冲。在磅化锌品 种分子都有特定的振动能级和转动能级，对 体中很容易实现太赫兹波与探测光（=8O0nm)的相 太赫兹波产生特定的吸收 研究生物组织和化学物 位匹配，使探测光的群速度与太赫兹被的相速度相 质的特征谱，能够用来鉴别化学成 现 已经 等，是目前使用最多的一种电光品体。 究过的有甲基氯化物和甲基氟化物的太锈吸
第 期 贾 刚等 4 : 太赫兹 波 H ( e a T r e t r z 0 1 科 学 与技术 ) 2 0 1 1 论文 超过 篇 。 所研 究 的 问 题 涉 及 物 理 、 材 料 、 信息 、 生物 和 医学 等 多个领域 。 太 赫 兹 波发 射 器 和 探 测 器 2 2 . 1 太 赫 兹 波 发射器 太赫 兹波 发射 源 可 以 分 为 四 大 类 : 1 激 光 器 ( ) , 包括 自由电子激 光器 和气体 激光 器 。 它们输 出 的太 赫兹 波平 均 功 率 最 高 。 ( 2) 电 子 发 射 器 , 包 括 耿 氏 ( G u n n) 振 荡器 、 布洛 赫 ( lB co h) 振荡 器 和 冷等 离 子体 等 。 这类 发射器 结构 紧凑 , 造 价较 低 , 但 目前 尚未 实 用化 。 ( 3) 光 电导偶 极天 线 , 目前使用 较 多的是 条 形 和 蝶形 结构 。 通 过 施加 偏 置 电 压 , 用 中等 功 率 的激 光脉 冲激 发 , 能 够 产 生 脉 冲 功 率很 高 的 太 赫 兹 波 。 ( 4) 飞 秒激光 脉 冲激 发 的半导体 晶体 , 特别 是其 中的 电光 晶体 。 用飞 秒激光激 发 半导体 晶体 产生 太赫兹 电磁波 脉 冲有 两 种方 式 : 一 种 是 用 光子 能 量 大 于半 导体禁 带宽度 的脉 冲激 光 照射 半 导 体 , 使 半 导体 中 产生 电子 、 空 穴 对 , 在 电场 中 产 生 载 流 子 的 瞬 态 输 运 , 这 种真 实的瞬 态 电流的变 化 , 便会 发射 太赫 兹 电 磁辐射 ; 另一种 方 案是 用 飞 秒 激 光脉 冲照 射属 于 电 光晶体 的半导 体 晶体 , 通 过 脉 冲 光整 流 效 应产 生 太 赫兹电 磁 辐 射 。 此 类 太 赫 兹 波 脉 冲具 有很 宽 的 频 谱 。 2 . 2 太赫兹 波探测 器 太 赫兹波 探测器 目前 也可 以 分为 四大类 : ( l) 辐 射 量热 计 ( oB fo m et e r ) 和热 电探 测 器 。 它使用 方 便 , 但 只 能 做非相 干检测 , 不 能获得 相干 波的相 位信 息 。 ( 2) 电子探测 器 , 其特点 是成 本较低 , 结构 紧凑 。 ( 3) 光 电导偶极 天线 及 其 阵列 , 特 点 是 其 暗 电流 和 噪 声 较 低 。 ( 4) 用 飞秒 激 光取 样 的 电光 晶体 。 用 飞 秒 激 光触 发 的电光 晶体探测 器 的特点是 具有 极宽 的频谱 响应 和非 常高 的测量信 噪 比 。 此外 , 测 量孔径 大 , 因 而 也适合 于二 维直接成 像测 量 。 电光 检测方 法又可 分 为时分检 测和 波分检 测 。 时分检 测是用 飞 秒 激光 脉 冲对太赫 兹波 时间波形 进行 取样 测量 。 而 波分检 测是利 用具有 足 够频 谱 展 宽 的 惆秋 激 光 脉 冲 , 在 电 光 晶体 中将太 赫兹 脉冲 的时域 波形一 次 复制到 惆秋 激光脉 冲的各 频率 分 量 上 , 再 通过 对 惆 秋脉 冲的光 谱测 量得到 太赫兹波形 。 电光 晶体也可 以 与条 纹像 机相结合 , 直接测 量 太赫兹电 磁 脉 冲 。 在 磅 化 锌 晶 体中很容易实现太赫兹波与探测光 ( 入二 s o n m ) 的相 位 匹 配 , 使探 测光 的群 速度 与 太 赫 兹 波 的相 速 度相 等 , 是 目前使 用最 多的一种 电光 晶体 。 3 对 太 赫 兹波 本身 的 研 究 3 . 1 电磁场 对 太赫兹 波产 生过程 的影 响 用飞 秒 激光 脉 冲激 发半 导体 产生真 实瞬态 电 流 而发 射太赫 兹 电磁 波 时 , 光 电导 偶极 发射 天 线 的偏 置 电压越 大 , 发 射的 太赫兹 波也越 强 ; 当利用 晶体 自 身的 表面场来 驱 动 载 流子 产 生太 赫 兹 波 时 , 在某 些 晶体取 向情 况下 , 用 飞 秒 激光 脉 冲激 发 半 导 体不 产 生 向前辐射 的太 赫兹波 , 这 时可 以通 过施 加磁场 , 在 洛伦 兹 力 的作 用 下 产 生 太 赫兹 波 。 改 变 磁 场 的方 向 , 还 可 以 控制 太赫兹 波 的极性 。 3 . 2 太赫 兹波 的传输 ( l) 自由空 间的 太 赫兹 波 的 传输 可 以 采用 常规 的光学 技术 。 为 了控 制 太 赫 兹波 的传 输 , 可 以 利 用 抛 物 面镜和超 半球 硅透镜 等 光学元 件准 直或 聚焦太 赫兹波 。 最 近 , 用 硅 衬底 研 制 出 的费 涅 尔 透镜 或 费 涅 尔 波带 片这种 二元光 学元 件取得 了更 好 的聚 焦效 果 。 ( 2 )太 赫兹 波 在 波导 中的 传 输可 应 用 于近 场 太 赫 兹波 器件 、 太赫兹 波互 联 、 太 赫兹 波准 光学腔 和实 现 太赫 兹波谱 的超灵 敏测 量 。 已经 开展 的研 究有 太 赫兹 脉 冲在 圆形 和矩 形 金属 波 导 中的传 输 、 单 模 太 赫兹 波在 蓝宝 石光 纤 中的传 输 、 单模 太 赫兹 波 在 聚 乙烯 介质带 平板 波 导 中的传 输 、 太 赫 兹 脉 冲通 过 细 小孔 径 、 通过 薄 的和厚 的金属狭 缝 的传 输 , 以 及太 赫 兹光 子 晶体波 导 的研 制等 。 ( 3) 太赫 兹 波在气体 、 液 体和 固体 中的传播 涉及 到介 质 的吸收 特性 、 相移 特 性 和 散射 特 性 等 。 这是 目前 太赫 兹 波 与 物 质 相 互 作 用 研 究 的一 个 重 要 领 域 。 在 近乎透 明的 材料 中 , 相 移 特 性 可 以 直 接分 析 时 间波形 的变化 来获得 。 散射特性 研究 目前 主要是 进行 以 米 氏 ( M i e ) 散射 为主 的研究 。 4 太 赫 兹 波 的 应 用 研 究 相 干 的太 赫 兹 脉 冲具 有很 宽 的频 谱 带宽 , 通 过 对样 品太 赫兹 波 的测 量 和研 究 , 可 以 获 得材 料 中的 许 多信息 , 因此 太 赫 兹 波具 有 广 阔 的应 用 前 景 。 跨 学科 的合作 研究 已 经 形 成一 个 技 术领 域 , 常 常 称 之 为 太赫兹 技术 [“ 〕 。 4 . 1 利 用频谱 的应 用 研 究 每种 分子 都 有 特 定 的振动 能 级 和 转 动能 级 , 对 太赫 兹波 产生 特定 的吸收 。 研究 生物 组织 和 化学物 质的特 征谱 , 能 够用 来 鉴 别化 学 成 分 。 现 在 已 经 研 究过 的有 甲基氯 化物 和 甲基 氟化 物的太 赫兹 吸收谱
202 中国科学基会 202年 或诱时谱甲皖与空气混合燃烧时火馅的吸收遵、火 差如对下射线有一定的诱村率则T射线成像就 焰中的热水装汽的吸收谱。虽然目前研究工作进行 以作为一种有效的补充手段。由于T射线光子能量 得不够多，但是已经显示出巨大的应用潜力，将来可 较X射线光子能量低很多，不会引起光电离和胺 以进 疾病诊断、环境监测 产品质量监控等许多 坏，对生物进行活体检查更安全 因此，T射线C 面的应用。 在医学检查、安全检查，环境监测，食品生产质量脸 4.2利用时域谱的应用研究 控等许多方面存在巨大的应用落力。 对相干太赫兹波与物质相互作用，通过振幅和 4.4太赫兹波在生物技术和信息技术领域的应用 相位变化的测量，可以表征固体，液体和气体材料的 太赫兹波在这两个领城的应用能够带动高水平 电子品格振动和化学成分等性质。可以研究材料 的学科交丈研究，无论在科学问颗的解决，还是发冠 许 新型应用技术，具有广的前景。在生物技术方 不透明 对X光完全透明的 面，不同生物分子的太赫安 光谱表征、脱氧核糖核 太赫兹波送行测量。例如太替兹波透过纸张后，振 (DNA)和蛋白质的无标记检调、分子反应的测量 幅和相位均会发生变化，据此可以计量书本的页数 方面，已经取得了一些鼓舞人心的进展，吸引了越来 和钞票的张数。把太赫兹波的发射和接收在同一器 越多的注意。在信息技术方面太赫兹波收发机的原 件上实界、制成收发机可以用来测量距离、传递信 理试验已经开展，人浩卫星上搭载的太林兹探测器 息，成为一种通讯工具。利用太赫兹波可以透过很 多电介质这 特性，可以应用于 已成功地绘 了地球上海洋的沮度分布图，作为宽 带无线通讯的 种手段也正在研究之中 5 方兴未艾的太赫兹波科学与技术 4.3太赫兹波(T射线)的成像 195年利用太赫兹被成像的第一篇文章发表 太赫燕波技术虽然有了很大发展，但是无论从 以后，太赫兹波成像技术受到普遍重视，最初利用 基础研究还是从应用基础研究的角度看，都还有许 幅的变化研穷了料封装的售成电路的内部引线等 多工作要做。例如高强度太赫兹脉冲产生的非线性 结和树时中合水景的分布图像。 型在日经右多种 死象 展生 世的于标记凌出持术细分水 新的成像技术出现和正在进行 平的近场太赫兹被成像、太赫 高频光电子集成 成像技术包括 器件等研究还是处于刚刚启动的阶 文。和经过百 (1)使用光电导偶极子的T射线常规成像技术： 以上研究的传统光学领域相比，太赫蕊波这一研 2)伸用CCD摄後机的电光T射线成像技术： 课题是非常年青的。随者研究的不断深入，其应用 (3)使用单周期脉冲T射线通过时间反演进行 与交叉研蜜的学科领城的不断扩大，可以预计太袜 物体重构的成像技术 兹波的研究将迎来一个蓬勃发展的阶段。 利用某尔夫(K 移动的T射线反射 成像技术 参考文献 (5)动态孔径和暗场T射线成像技术： [1j Mickan S P,angX imaging.aub (6)T射线计算机层析成像技术，简称T射线 (7)T射线街射层析成像技术，简称T射线DT IEEE Tra inns on Mie 002,50(3):910一92 41 (9)50m一200m的T射线成像技术 以上各种成像技术在扫描方式、信噪比，动态范 5] 围，分解率、成像所用时间、制造成本紧凑程度，应 用节围和邻越各有千秋。其中，T射线CT成像技术 6 X射线CT相比，不仅可以获得被测物吸收率的 分布，而且可以获得折射率或介电常数的」 办 Yol.2,pagrs 1993-1404.Edtor J.Homak,John Wiley 有些物体对X射线完全透明，成像对比度很 Soea,New York,2002. 1994-2016 China Academic Joural Electronic Publishing House. All rights reserved http://www.cnki.ne
中 国 科 学 基 金 0 2 2 2 0 年 2 或透射谱 、 甲烷 与空气混 合燃烧 时火焰 的吸收谱 、 火 焰 中 的热水 蒸汽 的吸收谱 。 虽然 目前研究 工作进 行 得 不够 多 ,但 是 已 经显示 出 巨 大的应用潜 力 , 将来 可 以进 行疾病 诊断 、 环境监 测 、 产 品质量监控 等许 多方 面 的 应用 。 4 . 2 利 用 时域谱 的应用 研究 对 相干 太赫 兹 波与 物质 相 互作 用 , 通 过振 幅和 相位变化 的测量 , 可 以表 征 固体 、 液体 和气体材 料 的 电子 、 晶格 振动 和化 学 成分 等 性 质 。 可 以 研究 材 料 的吸 收 系数 、 折 射 率 、 介 电常数 、 频 移 等性 质 。 许 多 对 可 见光 不透 明而对 X 光完 全 透 明的物 质 , 可 以 用 太赫兹波 进行测 量 。 例 如 太 赫兹 波透 过 纸 张后 , 振 幅和相位均 会发 生变 化 , 据 此 可 以 计 量书 本 的 页数 和钞票 的张数 。 把太赫 兹波 的发射 和 接收在 同一器 件上 实现 、 制 成 收 发 机 可 以 用 来 测 量 距 离 、 传 递 信 息 , 成 为一种通 讯 工具 。 利 用 太赫 兹 波可 以 透 过很 多电介质 这一特 性 , 可以 应 用 于 安 全 检查 和 无损 检 测 。 4 . 3 太 赫兹 波 ( T 射线 ) 的成 像 1995 年利 用 太 赫 兹 波 成像 的第一 篇 文章 发 表 以后 , 太赫兹 波成像 技术受 到普遍重 视 , 最 初利用 振 幅 的变化研究 了塑料 封装 的集成 电路的 内部 引线 等 结构 和 树 叶中含水 量 的分 布 图像 。 现在 已 经有 多种 新 的 成像技 术 出现 和 正在进 行深 入研究 t 4一司 。 这 些 成像技术包 括 : ( l) 使用 光电导偶 极子 的 T 射线常规 成像技 术 ; ( 2) 使用 C C D 摄像机 的电光 T 射线成 像技术 ; ( 3 ) 使用 单周期 脉 冲 T 射 线通 过 时 间反演 进 行 物体 重 构的成像 技术 L7」; ( 4 ) 利 用基尔霍 夫 ( iK cr h ha f) 移 动的 T 射线 反射 成像技 术 L` } ; ( 5) 动态孔径 和暗场 T 射 线成像技术 ; (6) T 射 线 计 算 机 层 析 成 像 技 术 , 简 称 T 射线 C r ; ( 7) ’ r 射线 衍射层 析成像技 术 , 简 称 T 射线 D;T ( 8 ) T 射线 显微镜 成像 技术 , 利用 近 场技 术等 手 段 , 分辨率 可 以达 到微米 ; ( 9 ) s o m一 Zo o m 的 T 射线 成像技术 。 以 L 各 种成像技 术在 扫描方式 、 信噪 比 、 动态 范 围 、 分 辨率 、 成 像所 用 时 间 、 制 造成 本 、 紧凑程度 、 应 用 范 围和 领域各 有千 秋 。 其 中 , T 射线 C T 成 像 技术 与 x 射线 c T 相 比 , 不 仅 可 以 获 得被 测 物 吸收 率 的 三维 分布 , 而 目 ` 可 以 获 得 折射 率 或介 电常数 的三 维 分布 。 有些 物体 对 x 射线 完全透 明 , 成像 对 比 度很 差 , 如对 T 射 线有一 定 的透 过率 , 则 T 射线 成像 就可 以 作 为一种 有效 的补 充手段 。 由于 T 射 线光子 能量 较 X 射 线 光 子 能 量 低 很 多 , 不 会 引 起 光 电 离 和 破 坏 , 对 生 物 进 行 活 体检 查 更 安全 。 因此 , T 射 线 C T 在 医 学检查 、 安全 检查 、 环 境 监 测 、 食 品 生 产 质量 监 控 等许 多方 面 存在 巨 大 的应 用潜 力 。 4 . 4 太赫 兹 波在 生物技术 和 信 息技术领 域 的应 用 太赫 兹波在这 两个领 域 的应 用能 够带动 高水平 的学科 交叉 研究 , 无论在科 学 问题 的解 决 , 还 是发展 新 型 应用技 术 , 具 有广 阔的 前景 回 。 在生 物 技术 方 面 , 不同生物 分子 的太赫 兹光谱 表征 、 脱 氧核糖 核酸 ( D N A ) 和蛋 白质 的无 标 记 检测 、 分 子 反 应 的测量 等 方 面 , 已经取 得 了 一些鼓 舞人心 的进展 , 吸引 了越来 越 多的注 意 。 在 信息技 术方面 太赫兹 波收发 机 的原 理试 验 已经 开展 , 人造 卫 星 上搭 载 的太赫 兹 探 测器 已成 功地绘 制 了地球 上 海 洋 的温 度分 布 图 , 作 为宽 带 无线通 讯的一 种手段 也正在研 究之 中 。 5 方 兴 未艾 的太 赫 兹 波 科 学 与技 术 太 赫兹 波 技术 虽 然有 了很 大 发展 , 但 是无 论从 基 础研究 还是从 应用 基 础 研究 的角 度 看 , 都还 有 许 多工作 要做 。 例如高 强度太 赫兹 脉冲产 生 的非线 性 现象 、 发展生 物芯 片的无标 记读 出技 术 、 细胞分 辨水 平的近场 太赫兹 波 成像 、 太赫 兹 波 高频 光 电 子集 成 器件 等研究还 是处 于刚刚 启动 的阶段 。 和经 过百 年 以上研究 的传 统光 学 领域 相 比 , 太 赫兹 波 这 一研 究 课题 是非常 年青 的 。 随 着研 究 的不 断深 人 , 其 应用 与交叉 研究 的学科 领 域 的不 断 扩 大 , 可 以 预 计 一 太赫 兹 波 的研究 将迎 来一个蓬 勃发 展 的阶段 。 参 考 文 献 仁l 」M i e k a n s p , Z h a n g X C . 肚 ra y s e n s i n g a nd i ma 彭n g ` s u b m i t 之e d 之0 th e I n t e rn at i o n al Jou rn al o f H i g h S p e e d E l e c t ro n i e s a n d Sy s t e m , 2田2 . 〔 2 ] N i e h ( , l 。 E J , T e a r J n . J o i n i n g t h e i击 a r e d a n d e l e e t ir e w a v e s p e c t r a A s t ro p h y s . J . , 6 1 : 17一3 7 , 19 25 . 仁3 〕 s i e 罗1 P H . T e ra h e rt z T e c h n o l o 留 . IE E E T r a n s a c t i o n s o n M I C r o w va e hT e o订 a n d eT e l l n i甲 e s , 2之减〕2 , 5O ( 3 ) : 9 10一 92 8 . 〔4 〕 Ji a n g z p , Zh a n g X C F re e 一 s p a c e E l e e t ro 一 o p t i e T e o h n o l o g i e s · T H z S e n s i n g a n d Ima 邵n g eT e h n o l o 群 , Sp d n g e r 一 V e rl a g , 2 0() l . 「5 ] C h e n Q , z h a n g x C . E l e e t or 一 O pt i e TH z Im 卿 n g , u l t r a fa s t l , se r : eT e h n o l o爵 a n d Ap pli e at i o n s , E d . b y eF r am n n , Gal v a n a u s k a s , S u e h a , M a 比 e l D e kk e r , I n e . 2 X() 1 . 〔 6 〕 z h a n g x e . eT ra h e rt : E l e e t ` c iF e ld I m a ig n g . hT e E n e y c l o p e di a o f Im 娜 n g S e i e n e e & eT e h n o l o gy , Ima g i n g T e e h n o l o gy & 与s t f m s S e 。 - t jon , V o l . 2 , p a g e s 19 9 3一14 (j4 , E di to r J . I l o rn a k , J o h n W i] e y & S o n s , N e w Y o r k , 20() 2
第4期 刚等：太林叁被(TrH)科学与技术 203 [Riin A R.Dether J.Sanehrz-Palercia Let al.Tim revemal and ob 1515 ctine with siugle-orle Ontics letter.201.26 9Menikh A.MaoColl R.Manmll Terahertz boisenaing tech (10):681-63 Physies and Physical Chemistry.2002 using kirchhof migrati 0ptic8Letn.2001,26(19):513 TERAHERTZ SCIENCE AND TECHNOLOGY Jia Gang*t Wang Lit Zhang Xicheng' College Sne and grUnisrsiy,ChacnInime of Physie CASein) Abstract Terahertz (THz)wave or T-ray,electromagnetic radiation in a frequency interval from 0.1 to 10 THz,is the next in imaging ene and technology.TH radiation,THwave,occupies a large portion of the e the infrared and mi 4meVr46K.).However.compad t the rlatively vel-devcloned medical ming at micmave and onica frequencies.basic research.new initiatives and advanced technology developments in the THz band are very limited THz band is a scientifically rich but technologically limited frequeney band.due to the less developed THz wave emitters and receive compared with bands (microwave and optical bands).During the past decade.TH waves terials.It is a common belief that the future killer-application'of THz waves will be in biomedicine.This article overviews terahertz wave generation,propagation,detection,and application,with emphasis on state-of-the-art science and technology Key words Teraherz wave,Emitter,Detector,Imaging ·资料·信息 海峡两岸祁连山合作研究项目成功开展 2001年国家自然科学基金委员会将海峡两岸 质带的最新研究进展。与会者均认为这是一次高水 祁连山合作列为重大合作资助项目 2002年3月 平的研讨会。许志琴院士还应邀给台湾同行就中国 18一26日，在台湾省台南市成功大学举办了“中国 大陆科学钻探项日的进展作了一场十分精彩的滨 祁连山及中央造山带的构造演化研讨会”。 讲，引起台湾地学界普遍反响和极大兴趣，并表示了 祖国大陆代表团由中国地质科学院地质研究所 合作愿望。与会专家的一一个共同愿拟就县将祁连川 许志琴院士任团长，26位团员分别来自中国地质科 研讨会继缕办下去，并将祁连山造山带的研究推片 学院地质研究所，国土资源信息院、中国地质大学 世界，成为地学领域的经典研究，像阿尔卑斯造山带 (武汉)等单位。台湾代表分别来自成功大学、自然 样写进世界教科书。 科学博物馆、中央大学、台湾大学，中山大学、花莲师 会后，祖国大陆代表团考察了台湾中部的地质 范学院等单位。 事清迹参加了“九， ”地震教育纪念馆，以及 代表们宜读的论文涉及到祁连山、阿尔金山、秦 南投县泥石流灾害遗迹等 岭，大别苏鲁、青藏高原和台湾地质。海峡两岸研 两岸科学家在地质方面的研究各具特色。通过 究人员的报告展示了大量新成果，包括祁连南缘超 这一两岸地学合作研究项目的实座，必然从减灾、防 高压变质描的发理阿尔金断型的平移距离及形成 灾等角度浩福于两岸人民。 时代，祁连变质基底的组成及活化、北祁连东部的多 岛弧体系、西秦岭构造以及大别苏鲁地区超高压变 (因际合作局白鹤王供稿)
第 期 贾 刚 等 4 : r 太 赫兹 波 ( T a e H e t r 2 0 科学 与技术 3 z ) [ 7 」 R u m n A R , D e e h e : J , S a n e h e z 一 P a l e n e i a L e t a l . T i n le r e v e sr a l a n d o b - z e (二t r e e o n s t ur c t i o n w i t h s i n g l e 一e y c l e p u l s e s . o p t i ( 三5 1无 t t e r s , 2加l , 2 6 ( 10 ) : 6 8 1一 6 8 3 . 「8 ] D o rn e y T , J o } I n s o n J , V a n R , d d J e t a l . T e ar h e rt z er fl e e t i o n i m a g i n g u s i n g k i r e h h 〔 , f m i脚 t i o n . o p t i e s 公 t t e sr , 20 1 , 26 ( 1 9 ) : 1 5 1 3一 1 5 1 5 . 「9 」M e n ikh A , M ac C o ll R , M a n n ll a C A e t a l . 介ahr e rt z b o ise n s i n g te e h - n o l o 舒 : ofr n t i e r a n d p or 卿 5 5 . s u bm i tt e d t o E u or p e a n J o u rn al C h e m i e a l hP y s i e s a n d P h y s i e al C h e m i s t叮 , 2田2 T E R A H E R T Z S C I E N C E A N D T E C H N O L O G Y Ji a G a n g 关 寸 w a n g L i丰 Z h a n g X i e h e n g 关 ( ` 尸人” i cs D 即a r tme n t , R e o e l配 r oP lyt e e h n `e 加 t i t u t e , 7 oyY , 瓜 于“ OY rk , 12 18 0 一 4 20 3 , 右S 弓; 士 e o ll聊 of E lec r ro n `e s e i e nc e a n d E叮i , r i咭 , Ji li n v n i ~ i ty , C h a nec h u n 12 0 2 3 ; 才 nsI r i r以e of }P l ” i cs CA S , B e ij i咭 l 以 x〕8 0 ) A b s tr ac t T e ra h e rt z ( T H z ) w va e o r T 一 vra , e l e e tor m a邵e t i e r ad i at i o n i n a fr e q u e n e y i n t e vr al for m 0 . 1 t o 10 T H z , 1 5 t h e n e x t for n t i e r i n i m a g i n g s e i e n e e a n d t e e h n o l o 盯 . T H z ar d i a t i o n , o r T H z w a v e , o e e u p i e s a l a gr e p o rt i o n o f th e e l e e t or - m a g n e ti e s p e e t ur m b e t w e e n t h e i n fr a r e d a n d im e r o w va e b an d s ( i n d i fe er n * u n i t s : 1 T H z o r 1 p s o r 30 0 拜m o r 3 3 e m 一 ’ o r 4 . 1 m e V o r 4 7 . 6 ’ K . ) . H o w e v e r , e o m p a er d t o t h e er l a t i v e l y w e l l 一 d e v e l o p e d m e d i e a l i m a g i n g a t m i e or w a v e a n d o p t i e a l fr e q u e n e i e s , b a s i e er s e a cr h , n e w i n i ti a t i v e s a n d a d v a n e e d t e e h n o l o 盯 d e v e l o p m e n t s i n th e TH z b a n d a er v e巧 l i m i t e d . T H z b a n d 1 5 a s e i e n t iif e a l l y ir e h b u t t e e h n o l o g i e a l l y l i m i t e d fer q u e n e y b a n d , d u e t o th e l e s s d e v e l o p e d T H z w a v e e而t t e sr a n d r e e e i v e sr , e o m p a r e d w i th i t s n e i g h b o ir n g b a n d s ( m i e or w a v e a n d o p t i e a l b a n d s ) . D u ir n g t h e P a s t d e e a d e , T H z w a v e s h a v e b e e n u s e d t o e h a r a e t e ir z e t h e e l e e tor n i e , v i b r a t i o n a l a n d e o m p o s i ti o n a l p or p e rt i e s o f s o l i d , li q u i d a n d g a s p h a s e m a - t e ir a l s . I t 1 5 a e o m m o n b e li e f t h a t t h e fu t u er ’ ki l l e r 一 a p p li e a ti o n ’ o f T H z w a v e s w i l l b e i n b i o m e d i e i n e . hT i s a rt i e l e o v e 四 i e w s t e r a h e rt z w a v e g e n e ar t i o n , p or p a g a r i o n , d e t e e t i o n , a n d a p p li e at i o n , w i t h e 哪h a s i s o n s t a t e 一 -of th e 一 a rt s e i e n e e a n d t e e h n o l o gy . K e y w o r d s T e ar h e rt z w a v 。, , E m i t t e r , D e t e e t o r , Im a g i n g · 资料 · 信 息 · 海 峡 两岸祁 连 山合 作研 究 项 目成 功 开展 20 01 年 国 家 自然 科 学 基 金 委 员会 将海 峡两 岸 祁连 山 合作 列 为 重 大合 作 资 助 项 目 。 2 0 02 年 3 月 18 一 26 日 , 在 台 湾 省 台 南 市 成 功 大 学 举 办 了 “ 中 国 祁连 山 及 中央 造 山 带 的构造演 化研 讨会 ” 。 祖 国大 陆代表 团 由中 国地 质科 学院地 质研究 所 许 志琴 院士 任 团长 , 26 位 团 员分 别来 自中国地 质 科 学 院地质 研 究 所 、 国 土 资 源 信 息 院 、 中 国地 质 大 学 (武 汉 )等单 位 。 台湾代 表 分 别来 自成 功 大 学 、 自然 科 学博物 馆 、 中央 大学 、 台湾大学 、 中山 大学 、 花莲 师 范学 院等单 位 。 代表们宣读的论文 涉及 到祁 连 山 、 阿尔金 山 、 秦 岭 、 大别 一 苏鲁 、 青 藏 高原 和 台湾 地 质 。 海 峡 两 岸 研 究人 员的报 告展 示 了 大量 新 成果 , 包 括 祁 连 南 缘超 高压 变质带 的发 现 、 阿 尔金 断裂 的平 移 距 离 及形 成 时代 、 祁 连变质 基底 的组成及 活化 、 北祁 连东 部 的多 岛弧体系 、 西秦岭 构 造 以 及 大别 苏 鲁地 区 超 高 压变 质带 的最新 研究进 展 。 与会 者均认 为这 是一次 高水 平 的研讨 会 。 许 志琴 院士还应 邀给 台湾 同行就 中 国 大陆科学 钻 探 项 目的进 展 作 了一 场 十 分 精 彩 的 演 讲 , 引起 台湾地 学界 普遍 反响 和 极大 兴趣 , 并 表示 了 合 作愿望 。 与会专 家的一 个共 同愿望 就是将 祁连 山 研讨会 继续 办下 去 , 并 将祁 连 山 造 山 带 的研 究 推 向 世界 , 成为 地学 领域 的经典 研究 , 像 阿尔卑斯 造 山带 一样 写进世 界教科 书 。 会 后 , 祖 国 大陆 代 表 团考 察 了 台湾 中部 的地 质 灾 害遗迹 , 参 加 了 “ 九 · 二 一 ” 地 震 教 育纪 念 馆 , 以 及 南投县 泥石 流灾 害遗迹 等 。 两 岸科 学家在 地质 方面 的研究 各具特 色 。 通 过 这一 两岸地 学合作 研究 项 目的实施 , 必然 从减灾 、 防 灾等角 度造 福于 两岸人 民 。 ( 国 际 合作 局 白鸽 王 逸 供稿 )