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太赫兹波一般指频率为0.1 ～10THz，位于微波和红外线之间的电磁波。由于其特殊频段，处于电子学和光子学研究频段之间，太赫兹波具有的独特优势在物理、化学、医学、材料等学科的研究价值已被普遍认可。近年来，随着物理学技术和材料学技术的发展，太赫兹波的产生方法和检测手段已日臻成熟。目前太赫兹技术正在从理论走向实际，《太赫兹技术与应用》系统总结了太赫兹技术在无线通信、雷达监测、安全检查、生物医学和天文考古等众多领域的应用。

目录

**章　什么是太赫兹波 1

**节　太赫兹波的产生及检测 1

第二节　太赫兹波检测系统与技术 5

参考文献 11

第二章　太赫兹技术在雷达及通信中的应用 12

**节　太赫兹雷达的理论基础及技术优势 12

第二节　太赫兹雷达的应用 15

第三节　太赫兹通信系统及技术优势 19

第四节　太赫兹通信的应用 21

参考文献 26

第三章　太赫兹技术在安全检查中的应用 28

**节　太赫兹技术用于安全检查的原理和优势 28

第二节　太赫兹技术用于安全检查 30

第三节　太赫兹技术在安全检查中的应用前景 39

参考文献 40

第四章　太赫兹光谱技术在生物医学中的应用 43

**节　太赫兹光谱技术在生物大分子检测中的应用 44

第二节　太赫兹光谱技术在细胞检测中的应用 50

第三节　太赫兹光谱技术在细菌检测中的应用 55

第四节　太赫兹光谱技术在生物医学中的应用展望 61

参考文献 62

第五章　太赫兹成像技术在生物医学中的应用 64

**节　太赫兹成像技术与肿瘤诊断 64

第二节　太赫兹成像技术用于其他疾病诊断 81

第三节　太赫兹成像技术在生物医学中的应用展望 86

参考文献 88

第六章　太赫兹技术在药物检测中的应用 91

**节　太赫兹技术在药物异构体及多晶型药物检测中的应用 91

第二节　太赫兹技术在中药检测领域的应用 96

第三节　太赫兹技术在药物片剂包衣质控中的应用 100

参考文献 101

第七章　太赫兹技术在材料无损检测中的应用 103

**节　太赫兹技术在纤维增强复合材料检测中的应用 103

第二节　太赫兹技术在隔热材料及涂层检测中的应用 108

参考文献 112

第八章　太赫兹技术在天文学中的应用 114

**节　太赫兹技术在航天遥感中的应用 114

第二节　太赫兹超导探测器的应用与发展 119

第三节　太赫兹超导探测技术的发展展望 125

参考文献 126

第九章　太赫兹技术在考古学中的应用 128

**节　太赫兹光谱在文物物质成分分析中的应用 128

第二节　太赫兹成像在文物内部结构探测中的应用 130

第三节　太赫兹文物光谱检测的前景及展望 133

参考文献 134

第十章　太赫兹波的生物学效应研究 136

**节　太赫兹波产生生物学效应的机制 136

第二节　太赫兹波对个体和组织的影响 137

第三节　太赫兹波对细胞和生物分子的影响 140

参考文献 146

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**章 什么是太赫兹波

　　太赫兹（terahertz，THz）波是特指一段特殊波段的电磁辐射，如图1-1所示，狭义的太赫兹波一般是指频率在0.1～10THz（1THz＝1012Hz），波长为0.03～3mm的电磁波，在电磁波谱中位于微波和红外线波段之间[1]。而广义的太赫兹波频率范围可包含整个中红外和远红外波段，频率**可达100THz。由于太赫兹波在电磁波谱中的位置十分特殊，它处在电子学和光子学的交叉领域，所以既不完全适合用经典的光学理论来解释，也不完全适合用电子微波理论来研究[2]。因此，以往在相当长的一段时期内太赫兹波段被认为是电磁波谱中的“禁区”。由于缺乏有效产生和探测太赫兹波的辐射源和探测器，太赫兹这一波段一直被称作“太赫兹间隙”并未在科学界引起较大关注。

　　图1-1　太赫兹波在电磁波谱中的位置

　　自20世纪80年代以来，依托于超快光学和半导体技术的飞速进步，太赫兹波的产生方法和检测手段已日臻成熟，这使得太赫兹波逐渐走进了科学家的视线，并由此催生了一大批基于太赫兹波的新型学科和研究领域。目前太赫兹波技术正在从理论走向实际，在包括雷达通信、安全检查、生物医学、空间物理和天文考古等众多领域内获得了广泛的应用，彰显出巨大的研究潜力。本章将从太赫兹波的基本知识出发，阐述太赫兹波的产生、检测方法和目前较为常用的太赫兹检测系统与技术，帮助读者初窥太赫兹技术的奥秘，并为后续章节讨论太赫兹技术的应用奠定基础。

　　**节　太赫兹波的产生及检测

　　太赫兹波是我们肉眼无法看见的，但是天然存在的太赫兹波辐射却又时时刻刻存在于我们的世界中。近30年来，太赫兹波的产生和检测方法在不断地改进，利用光学方法产生高频太赫兹波成为可能，利用电子学技术也实现了将产生的太赫兹波向低频段延伸，为太赫兹波从理论走向实践提供了有力的支撑。本节将从不同工作原理角度对太赫兹波的产生和检测技术进行简要介绍。

　　一、太赫兹源

　　常用的太赫兹源可以分为脉冲太赫兹源和连续太赫兹源两大类。脉冲太赫兹源在时间上是一个长度在皮秒（1ps＝10-12s）量级的脉冲信号，在频域上是一个宽谱信号；而连续太赫兹源在时间上是一系列振荡的连续信号，在频域上一般是一个单频信号。其中，常用的脉冲太赫兹源根据产生方式不同也可进行分类，主要包括光电导天线和光整流两种方式。

　　（一）光电导天线

　　光电导天线，又称光导开关，是目前使用*广泛的脉冲太赫兹波产生方式之一。其主要原理是利用超快激光脉冲激发的光生自由载流子在外加偏置电场作用下加速运动来产生太赫兹波。由于其可采用光纤飞秒激光器作为泵浦源，因此整个系统本身体积小，易于集成，有望做成全光纤系统。目前较为成熟的商用太赫兹时域光谱系统通常采用光电导天线作为太赫兹源，并且已被广泛应用于各类研究领域。光电导天线产生太赫兹波的基本原理如图1-2所示，光电导天线由半导体衬底和与之接触的电极组成，其中电极的作用是给电极之间的半导体材料施加一个偏置电场，当一束超短激光聚焦到电极之间的半导体材料上时，如果激光光子能量大于半导体衬底材料的能隙宽度，则电子就可以被激发到导带上，形成电子空穴对，即光生自由载流子。随后，这些光生载流子会在偏置电场的作用下加速运动，在激光穿透深度范围内形成瞬时变化的光

　　图1-2　光电导天线产生太赫兹波的原理

　　生电流。由麦克斯韦方程可知，电流的变化会引起电磁辐射。当超短激光的脉宽在亚皮秒量级或以下，并且半导体材料的载流子寿命足够短时，此时产生的电磁辐射就位于太赫兹波段范围[3]。

　　在利用光电导天线产生太赫兹辐射的过程中，太赫兹脉冲的产生主要取决于加速运动的载流子，其脉冲能量可随着载流子数目以及载流子速度变化量的增加而增加。由于载流子是由泵浦光激发产生的，一个光子激发产生一对电子空穴对，因此要产生高能量的太赫兹脉冲需要提高载流子的数目，也就是提高载流子速度变化量和泵浦激光的能量。由于载流子速度变化量取决于它所能达到的**速度，在偏置电场一定时，载流子的迁移率越大，其速度就越快，因此在光电导天线中要选择电子迁移率高的材料。另一方面，载流子速度随偏置电场的增加而增加，因此要提高太赫兹辐射强度，就要适当提高偏置电场的强度。但是，当泵浦激光和偏置电场太强时，也容易造成光电导天线电极被击穿损坏。

　　为了提高光电导天线产生太赫兹波的效率，作为衬底的材料往往选用电子迁移率高、电子寿命短的半导体材料，如掺杂硅（Si）、低温生长砷化镓（LT-GaAs）、砷化铟镓（GaInAs）、砷化铟（InAs）、磷化铟（InP）等。其中，LT-GaAs由于其生长环境中的砷含量超过正常浓度，使其含有较多的砷反位缺陷，具有独特的光电特性。LT-GaAs载流子寿命约为360fs，且具有较高的迁移率和很高的电阻率，使其在超快光导开关领域应用极为广泛。在太赫兹领域，基于LT-GaAs的光电导天线也被广泛采用，是目前应用*多的天线衬底材料。但由于LT-GaAs能隙宽度较大，一般都只能采用800nm或者1064nm飞秒激光激发，而在这个波段的光纤技术还不够成熟，因此采用LT-GaAs光电导天线作为太赫兹源的时域光谱系统较难实现全光纤系统集成，体积相对庞大[4]。

　　（二）光整流

　　光整流，又称光致直流电场，是产生脉冲宽谱太赫兹波的另一种重要方式。如图1-3所示，与光电导天线不同，光整流方法是基于光整流效应，利用飞秒激光泵浦电光晶体产生太赫兹波[5， 6]。因此该种方法往往依赖于单脉冲能量较强的飞秒激光（毫焦量级甚至更高）作为泵浦光源。这也导致了使用光整流方法产生太赫兹波的系统往往较为庞大，也较为昂贵，一般都只在实验室中用于实验研究。但是光整流是目前能够产生*强单脉冲能量的太赫兹辐射的一种重要方式，并且产生的太赫兹波的光谱宽度也比光电导天线宽得多，可以达到0.1～100THz，覆盖整个太赫兹波带[7]。

　　目前常用于产生太赫兹辐射的电光晶体主要有碲化锌（ZnTe）、磷化镓（GaP）、硒化镓（GaSe）、铌酸锂（LiNbO3）、DAST等。其中ZnTe晶体由于具有较高的二阶非线性极化率和对800nm激光良好的相位匹配，是目前*为广泛使用的太赫兹脉冲产

　　图1-3　光整流效应产生太赫兹波的原理

　　生晶体，它具有很好的化学稳定性，利用远红外激光泵浦能够很容易实现共线相位匹配，产生0.1～3THz光谱宽度的太赫兹脉冲辐射。GaP和GaSe晶体由于具有非常宽的相位匹配，可以产生谱宽超过10THz的太赫兹脉冲辐射[8]。

　　为了产生高强度的太赫兹辐射，通常需要单脉冲能量或峰值功率足够高的超快激光脉冲源。LiNbO3晶体是目前产生强脉冲太赫兹源的*常用的晶体之一，与高能飞秒激光结合后可产生较为稳定的强太赫兹脉冲。如图1-4所示，该技术的核心原理在于通过倾斜泵浦光波前，并使其与产生的太赫兹波以一定的角度在晶体中传播，从而实现非共线的相位匹配。由于这种基于波面倾斜的太赫兹源采用具有高电光系数的非线性晶体实现了相位匹配，因而可以大大提高激光能量转换为太赫兹辐射能量的效率。目前，采用该方法利用脉宽785fs、60mJ的飞秒激光作为泵浦光源已经产生了单脉冲能量超过0.4mJ的太赫兹脉冲源[9]。

　　图1-4　倾斜波前强脉冲太赫兹源示意

　　二、太赫兹探测器

　　由于太赫兹脉冲是非常快的电场信号，常用的光电探测设备没有这么快的响应，难以探测太赫兹脉冲信号，因此需要研制专门的太赫兹探测设备。太赫兹时域光谱探测是目前*常用的太赫兹波探测技术，能够同时实现太赫兹脉冲信号和光谱的检测。该方法通常是基于飞秒激光泵浦-探测原理实现的，其中光电导天线探测法和电光采样探测法是目前*常用的两种太赫兹光谱探测方法。

　　（一）光电导天线探测法

　　基于光电导天线的太赫兹探测是目前常用的太赫兹光谱探测方法，可以说是光电导天线产生太赫兹波的逆过程，其基本原理：当飞秒激光探测脉冲照射到光电导天线的电极上，在其中会产生光生载流子；太赫兹脉冲在同一时间照射到电极上的同一位置，产生的载流子就会在作为偏置电场的太赫兹波的作用下做加速运动而形成光电流，通过测量不同采样时刻产生的光电流信号大小，再采用锁相放大器对太赫兹脉冲进行平均，就可以获得太赫兹电场强度的时间波形，再通过傅里叶变换就可以获得太赫兹波的光谱和相位信息。光电导天线太赫兹探测*重要的一个优势在于可以较容易地实现光纤集成，从而实现紧凑型的全光纤太赫兹光谱系统；而其缺点是由于受到载流子寿命的限制，其探测带宽一般都较窄[10]。

　　（二）电光采样探测法

　　电光采样探测法兼具高灵敏度、高信噪比、宽探测带宽的优点，是目前在太赫兹光谱探测中应用较为广泛的探测技术。电光探测技术基于泡克耳斯（Pockets）效应，通过探测太赫兹波引起的电光晶体折射率改变来探测太赫兹波形，其基本原理：使探测飞秒激光和太赫兹脉冲共线经过电光晶体，根据晶体的泡克耳斯效应，太赫兹脉冲电场会改变晶体的折射率椭球，通过测量被太赫兹波改变的探测飞秒激光的偏振态来获得太赫兹波的时域电场波形[11]。

　　第二节　太赫兹波检测系统与技术

　　太赫兹波的单光子能量较低，不会对待测物质产生电离效应，所以说太赫兹技术是一种很好的无损检测方法[1]。许多分子和化学物质振动和转动对应的吸收峰正好落在太赫兹范围内，因此人们对于太赫兹技术在生物、化学和医学领域的应用十分关注。此外，太赫兹脉冲的相干特性可以同时获得电场的振幅和位相信息，方便样品光学信息的提取。*终可以探测出太赫兹脉冲的整个时域波形，通过傅里叶变换就可以得到被测样品的频域谱，从而获得其吸收系数和折射率、透射率等光学参数，这些特点对于雷达通信、安全检查、生物医学、空间物理和天文考古等众多领域均有所帮助。

　　一、太赫兹时域光谱技术

　　目前*常用的太赫兹波检测系统是太赫兹时域光谱技术（THz-TDS），根据检测模式不同可分为透射式和反射式两种。在实际应用中，可以根据不同的样品和不同的测试要求采用不同的探测方式。对于低吸收的材料如高透明度的固体等，太赫兹波穿透这些物质后衰减很小，可以使用透射式太赫兹时域光谱技术。然而对于高吸收系数材料如水等，由于受到太赫兹时域光谱系统的功率和动态范围的限制，会导致系统信噪比降低，透射式方法得到的结果很不理想。因此，这种情况下可使用反射式太赫兹时域光谱技术。

　　（一）透射式太赫兹时域光谱系统

　　透射式太赫兹时域光谱技术是目前*常用的太赫兹波检测系统，适合于对太赫兹波吸收较弱物质的探测。从透射式太赫兹光谱中提取物质光学参数的算法较为成熟，因此透射式太赫兹时域光谱技术在各个领域的应用已十分广泛。图1-5是一个典型的透射式THz-TDS结构光路图。太赫兹脉冲产生通常基于脉宽在百飞秒量级的飞秒激光器。飞秒激光脉冲分为两部分，一部分用于产生太赫兹脉冲，另一部分用于探测太赫兹脉冲。使用分束器将飞秒激光分为两部分，分别聚焦到太赫兹源和探测器上。两路光的光程差必须精确一致，以保证脉冲必须同时触发探测器。太赫兹脉冲时域波形通过改变探测器与太赫兹源之间的时间差来采集。为了避免空气中水蒸气对太赫兹波的吸收，通常将太赫兹光路用干燥气体或氮气密封起来[12]。

　　图1-5　典型的透射式太赫兹时域光谱系统

　　由于太赫兹波波长较长，在传播时衍射效应较大，一般采用抛物面反射镜或透镜实现对太赫兹波的收集、准直与再聚焦，结合锁相放大技术，探测信号可以达到60dB的信噪比。由于太赫兹光谱通过快速傅里叶变换计算得到，因此其光谱分辨率由时间扫描范围的倒数决定。例如，为了达到100GHz的频谱分辨率，需要10ps的时间扫描。通过参考信号和样品信号的测量，可以提取出不同频率下样品的光学常数（如折射率和吸收系数α）。此外，通过样品纵向的二维移动，就可以实现逐点的太赫兹光谱的测试，从而实现对样品的太赫兹成像。

　　（二）反射式太赫兹时域

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