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gangzi0801

2018-09-03 23:20

太赫茲波與太赫茲技術(shù)

太赫茲波是指頻率介于0.1~10THz之間的電磁波，其波長(zhǎng)范圍為 0.03~3 mm。太赫茲波在電磁波譜中的位置位于微波和紅外輻射之間，故對(duì)其研究手段由電子學(xué)理論逐漸過(guò)渡為光子學(xué)理論。

20世紀(jì)90年代以前，人們對(duì)太赫茲波的認(rèn)識(shí)非常有限。近年來(lái)，隨著激光技術(shù)、量子阱技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，為太赫茲脈沖的產(chǎn)生提供了穩(wěn)定、可靠的激發(fā)光源，使太赫茲輻射的產(chǎn)生機(jī)理、檢測(cè)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)等方面的研究得到蓬勃發(fā)展。由于太赫茲波在電磁波譜中所處的特殊位置，因而其具有許多優(yōu)越的性質(zhì)，從而在天文、生物、化學(xué)等領(lǐng)域有著非常重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值。尤其在軍事和安全領(lǐng)域，太赫茲技術(shù)更是有著廣闊的應(yīng)用前景。太赫茲技術(shù)因得到了各國(guó)政府和研究機(jī)構(gòu)的高度重視，成為了當(dāng)前國(guó)防和反恐中的重點(diǎn)研究項(xiàng)目。

1.太赫茲波的特性

太赫茲波綜合了電子學(xué)和光子學(xué)的優(yōu)越性能，具有很多不同于其他電磁波的特殊性質(zhì)。也正是這些特性，使之成為當(dāng)前科技界最熱鬧的前沿領(lǐng)域之一。

指紋特性

物質(zhì)的太赫茲光譜包含著豐富的分子結(jié)構(gòu)信息。大部分物質(zhì)晶格的振動(dòng)以及分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)能級(jí)之間的躍遷都對(duì)應(yīng)于太赫茲波段范圍，每一種物質(zhì)在該波段透射-吸收光譜的位置、強(qiáng)度和形狀均不相同。因此太赫茲光譜能反映分子種類和結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化，使得它們具有類似指紋一樣的唯一特點(diǎn)，所以太赫茲光譜也稱為分子指紋譜。根據(jù)太赫茲波譜的分子指紋特性可以分析研究物質(zhì)成分、微觀結(jié)構(gòu)及其相互作用關(guān)系。圖1展示了二硝基苯甲醚(DNAN)、六硝基芪(HNS)和二硝基亞甲基-四唑(DNMT)三種軍用粉末炸藥的太赫茲透射光譜，可以看出，三種炸藥各自都有大量的特征吸收峰，將被測(cè)物質(zhì)吸收峰的峰位及強(qiáng)度通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)譜對(duì)比，很容易能夠辨識(shí)出物質(zhì)種類。

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圖1.DNAN、HNS 和 DNMT 三種炸藥的太赫茲透射光譜(引自李茜，三種軍用炸藥的太赫茲光譜研究[M]，中北大學(xué)，2012)

透射特性

太赫茲波在各類物質(zhì)中的傳播特性還有待進(jìn)一步深入研究。但根據(jù)已有的研究結(jié)果，太赫茲輻射對(duì)有極電介質(zhì)、無(wú)極電介質(zhì)及金屬導(dǎo)體的透射性有很大區(qū)別。有極電介質(zhì)存在等效的電偶極矩，金屬導(dǎo)體內(nèi)部則存在大量自由移動(dòng)的電荷，兩者與太赫茲波相互作用時(shí)會(huì)出現(xiàn)共振吸收，因此太赫茲波對(duì)這兩種物質(zhì)的穿透性很低。而無(wú)極電介質(zhì)對(duì)太赫茲波不會(huì)產(chǎn)生共振吸收效應(yīng)，從而具有很強(qiáng)的穿透性。由此太赫茲成像可以將不同的材質(zhì)加以區(qū)分。很多包裝材料如塑料、紙箱、布料、木材等都屬于無(wú)極電介質(zhì)，但它們對(duì)可見(jiàn)光都是不透明的。故可結(jié)合相應(yīng)技術(shù)對(duì)不透明的物體進(jìn)行太赫茲透視成像，作為X射線和超聲等成像技術(shù)的補(bǔ)充，探測(cè)材料內(nèi)部缺陷和密封包裝內(nèi)的物品。

安全特性