简介太赫兹技术及其应用
姓名（学号）
（东南大学 电子科学与工程学院，南京 211189）
摘 要：太赫兹波（或称太赫兹射线）是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长大概在0.03到3mm范围，介于微波与红外之间。它之所以能够引起人们广泛的关注、有如此之多的应用，首先是因为物质的太赫兹光谱包含着非常丰富的物理和化学信息，所以研究物质在该波段的光谱对于物质结构的探索具有重要意义。 关键词：太赫兹波，太赫兹光谱，太赫兹技术
Introduction of THz technology
and its application
name（number）
（School of Electronic Science and Engineering ,Southeast University,Nanjing,211189)
Abstract：THz wave (or said that THz radiation) is to point to frequency in 0.1THz to 10THz range of electromagnetic wave, the wave lengths about 0.03 mm in scope, between the microwave and infrared between. It was able to cause people to wide attention, so much more applications, first of all because the material THz spectrum contains a wealth of physical and chemical information. So the material in the band of the spectrum for the exploration of the material structure has an important significance.
Key words: THz wave, THz spectrum, THz technology
0．引言：
在电子科学与技术学科概论这门课中，有一节课杨春博士给我们介绍了太赫兹技术及其应用，我顿时对太赫兹技术产生了兴趣。除了在课上认真聆听了杨老师的课以外，又查询了很多关于太赫兹技术及其应用以及东南大学太赫兹研究所的资料。所以，在这里，我以论文的形式呈现出来。
作者简介：韩昱霄（1992— ），男，河北石家庄人，本科在读，E-mail:[email protected] [email protected]
1.太赫兹波：
太赫兹波泛指频率在0 .1～10 THz波段
内的电磁波，早期太赫兹在不同的领域有不同的名称 ,在光学领域被称为远红外 ,而在电子学领域 ,则称其为亚毫米波、 超微波等。它是位于电磁波谱上的远红外和微波之间的一段未完全开发的、具有很多独特优点的电磁辐射。自然界广泛存在太赫兹射线。周围的大多物体的热辐射都有太赫兹辐射。通过深入研究太赫兹科学技术，可以帮助人们探索未知世界和未知规律。所以太赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿，在波谱学、
遥感、通信、生物医药和无损探测等很多领域有重要的发展前景，也是国际科学界有识之士认为改变未来世界的十大技术之一。
3.太赫兹辐射的独特性质
太赫兹电磁辐射具有很多独特的性质，正是这些特性赋予了太赫兹辐射广泛的应用前景。相对于高频电磁波，太赫兹辐射的一些基本特征如下。
①高透性:太赫兹对许多介电材料和非极性物质具有良好的穿透性，可对不透明物体进行透视成像，可用于安检或质检过程中的无损检测。另外，太赫兹在浓烟、沙尘环境中传输损耗很少，是火灾救护、沙漠救援、 战场寻敌等复杂环境中成像的理想光源。 ② 低能性:太赫兹光子能量为 4 . 1 meV (毫电子伏特 )，只是 X射线光子能量的 107～108分之一，该值低于各种化学键的键能。太赫兹辐射不会导致光致电离而破坏被检物质，非常适用于针对人体或其,他生物样品的活体检查。另外，水对太赫兹辐射有极强的吸收，所以该辐射不会穿透人体的皮肤 ,对人体是很安全的。
③指纹谱性:太赫兹波段包含了丰富的物理和化学信息。大多极性分子和生物大分子的振 -转能级跃迁都处在太赫兹波段，所以根据这些指纹谱，太赫兹光谱成像技术能够分辨物体的形貌，鉴别物体的组分，分析物体的物理化学性质，为缉毒、反恐、排爆等提供相关的理论依据和探测技术。另外，与低频电磁波相比，太赫兹频率较高，可作为通讯载体，在单位时间内可以承载更多的信息。太赫兹辐射方向性很好，可用于战场中的短距离定向保密通讯。利用太赫兹成像还可获得更高的空间分辨率及更长的景深等。
2．太赫兹历史及国内外发展状况
实际上，早在一百多年前，就有科学工作者涉及过该波段的研究，即在 1896年和 1897年，Ruben和 Nichols对该波段进行先期的探索。在之后的近百年间，太赫兹科学与技术得到了初步的发展，许多重要理论和初期的太赫兹器件相继问世。现代太赫兹科学与技术的真正发展则是20世纪 80年代中期，随着一系列新技术、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太赫兹源成为一中常规技术。太赫兹技术也从此得以迅速发展。
根据太赫兹辐射的重大应用前景，从 20世纪90年代中期开始美国国家基金会、 航天局、 国防部、和国家卫生学会等政府或军事部门，对太赫兹科学研究项目持续提供了较大规模的资金支持。欧洲国家除了各国自己所支持的研究项目以外，还利用欧盟的资金共同组织了跨国界、 多学科、 大型的合作研究项目。日本政府近年来对太赫兹科研的投入经费每年都超过一千万美元，并于2005年 1月 8日将太赫兹科技列为“ 国家支柱技术十大重点战略目标”之首。目前,世界上约有 130多家研究机构开展了相关的光电子材料、太赫兹激光器、太赫兹光谱学及相关生物医学成像等研究。
我国开展太赫兹研究相对来说起步较晚，但是政府予以高度的重视。特别是 2005年 11月 22日，以“太赫兹科学技术的新发展 ”为主题的学术讨论会在北京香山饭店召开，来自科研院所、高等院校等相关领域的专家学者参加了此次学术讨论会，交流了国内外 THz科学技术的研究现状和发展趋势，探讨了我国 THz科学技术研究的重大科学问题和拟要解决的关键技术。11位院士在会上发言，对太赫兹科学技术的重要性和我国未来发展战略提出了宝贵意见。虽然我国在太赫兹的研究领域比国外起步晚了将近十年，但是目前总体上与国外的差距还不是很大。
4.太赫兹的产生
除了传统的太赫兹非相干的热辐射源 (高压汞弧灯和碳硅棒 )外，还有基于光学方法的太赫兹源、基于电子学方法的太赫兹源 ,以及基于等离子体方法的太赫兹源。 4 . 1基于光学方法的太赫兹源
目前，基于光学方法的太赫兹源主要有基于半导体瞬态电流的太赫兹源、基于非线性效应的太赫兹源和太赫兹气体激光器。其中，瞬态电流太赫兹源包括光电导机制和半
导体表面产生机制；而基于非线性效应的太赫兹源包括光整流机制，光混频机制和参量源。光学方法所产生的太赫兹辐射大多为宽带脉冲辐射。
4.2基于电子学方法的太赫兹源
基于电子学方法的太赫兹源通常可产生窄带连续太赫兹波，是比较容易实用化的太赫兹源。基于该方法的太赫兹源也可大致分为三类：太赫兹真空微电子器件、太赫兹相对论性器件和太赫兹半导体激光器。太赫兹真空微电子器件大多是基于微波器件结合先进的微细加工技术利用微波管的分布作用原理产生太赫兹波的微型真空电子器件，它们利用相对论，即电子的运动速度达到或接近光速，由电子的同步辐射产生高功率的太赫兹辐射。
4.3基于等离子体方法的太赫兹源
基于该方法的太赫兹源同样也可分为三类:空气中光丝产生太赫兹、激光尾场产生太赫兹和表面等离子产生太赫兹。空气中光丝产生太赫兹的技术可使太赫兹完全摆脱距离的限制,科学家推测可在几公里以外产生出太赫兹脉冲,同时也避免了太赫兹在空气中传输被水份吸收的问题,目前,相关的基本产生机制还没有定论，许多人建立了各自的模型来对这一现象进行解释。
对样品进行静态的高时间分辨率非接触式的相干测量,也可以探测样品的动态信息,对
样品的细微变化进行快速精确的分析和判断。另一方面,由于太赫兹的高透性,太赫兹可对许多非极性物质进行透射成像。但是太赫兹也不是万能的，它不能穿透金属，所以不能对金属容器内部进行检测；另外，水对太赫兹辐射吸收很强烈，由此使得太赫兹不能探测水中物体，因而不能对人体进行透射成像。
6.东南大学太赫兹研究所简介
通过老师的介绍，我知道了我们学校拥有一个实力强大的太赫兹研究所。它隶属东南大学科技处管理的挂靠在电子科学与工程学院下的科研单位。东南大学太赫兹研究所位于东南大学四牌楼校区内，座落于南高院三楼西侧。目前大型超净间实验室、化学间等都已建成并投入使用，同时采购了各种大型国际先进水平的实验设备。东南大学太赫兹研究所配备了强大的研究人员队伍，所长 是我国著名学者崔一平，副所长是崔铁军，以及 杨春、 马士华等一批具有非凡学识的研究人员。因此东南大学太赫兹研究所不仅是东南大学重要的研究所之一，更是国家太赫兹技术的重要研究所之一。
5.太赫兹的应用研究领域
太赫兹科学技术现在已经涉及到了通
讯、 军事、反恐、医学、安检和天文观测等领域
7.结语
太赫兹科学技术是本世纪的又一场“前沿革命 ”，它已成为科学研究的热门课题之一。太赫兹科学技术方兴未艾，已在一些重要的研究领域显示出其独特优越性。在 21世纪，太赫兹的应用研究将是相关科研人员的研究重点。太赫兹科学技术并不是万能的，它只是在一些领域是令其他技术诸如红外技术和微波技术等所不能比拟，但在另外一些方面它只是作为其他技术的补充和延 伸。虽然太赫兹科技在辐射源、探测器及相关的功能元器件技术方面发展不够理想，尚不能实用化、商业化，但它仍具有很高的科学研究价值和巨大的发展潜力。
参考文献：
[1] 王宏飞.改变未来世界的十大技术之—-------太赫兹技术[ J].科技大视野 , 2005, 4:
当前太赫兹科学技术所涉及的领域及
所发表的研究论文的比例
太赫兹光谱和成像是太赫兹应用研究的两大基础领域。太赫兹光谱中包含了丰富的物理和化学信息,许多物质在太赫兹波段都有指纹谱。利用太赫兹光谱技术不但可以
[2] 何德功.日本确立国家十大支柱技术 举全国之力研发
[3] 刘盛纲 ,姚建铨 ,张杰 ,等. 太赫兹科学技术的新发展，[C].香山科学会议第 270次学术讨论会，2005
[4] 许景周 ,张希成. 太赫兹科学技术和应用 [M]. 北京:北京大学出版社 , 2007 . [5] 张存林 ,等. 太赫兹感测与成像 [M]. 北京:国防工业出版社 , 2008 .
[6] 王少宏 ,许景周 ,汪力 ,等. THz技术的应用及展望 [J].物理 , 2001, 30 (10) : 6122 615 .
简介太赫兹技术及其应用
姓名（学号）
（东南大学 电子科学与工程学院，南京 211189）
摘 要：太赫兹波（或称太赫兹射线）是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长大概在0.03到3mm范围，介于微波与红外之间。它之所以能够引起人们广泛的关注、有如此之多的应用，首先是因为物质的太赫兹光谱包含着非常丰富的物理和化学信息，所以研究物质在该波段的光谱对于物质结构的探索具有重要意义。 关键词：太赫兹波，太赫兹光谱，太赫兹技术
Introduction of THz technology
and its application
name（number）
（School of Electronic Science and Engineering ,Southeast University,Nanjing,211189)
Abstract：THz wave (or said that THz radiation) is to point to frequency in 0.1THz to 10THz range of electromagnetic wave, the wave lengths about 0.03 mm in scope, between the microwave and infrared between. It was able to cause people to wide attention, so much more applications, first of all because the material THz spectrum contains a wealth of physical and chemical information. So the material in the band of the spectrum for the exploration of the material structure has an important significance.
Key words: THz wave, THz spectrum, THz technology
0．引言：
在电子科学与技术学科概论这门课中，有一节课杨春博士给我们介绍了太赫兹技术及其应用，我顿时对太赫兹技术产生了兴趣。除了在课上认真聆听了杨老师的课以外，又查询了很多关于太赫兹技术及其应用以及东南大学太赫兹研究所的资料。所以，在这里，我以论文的形式呈现出来。
作者简介：韩昱霄（1992— ），男，河北石家庄人，本科在读，E-mail:[email protected] [email protected]
1.太赫兹波：
太赫兹波泛指频率在0 .1～10 THz波段
内的电磁波，早期太赫兹在不同的领域有不同的名称 ,在光学领域被称为远红外 ,而在电子学领域 ,则称其为亚毫米波、 超微波等。它是位于电磁波谱上的远红外和微波之间的一段未完全开发的、具有很多独特优点的电磁辐射。自然界广泛存在太赫兹射线。周围的大多物体的热辐射都有太赫兹辐射。通过深入研究太赫兹科学技术，可以帮助人们探索未知世界和未知规律。所以太赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿，在波谱学、
遥感、通信、生物医药和无损探测等很多领域有重要的发展前景，也是国际科学界有识之士认为改变未来世界的十大技术之一。
3.太赫兹辐射的独特性质
太赫兹电磁辐射具有很多独特的性质，正是这些特性赋予了太赫兹辐射广泛的应用前景。相对于高频电磁波，太赫兹辐射的一些基本特征如下。
①高透性:太赫兹对许多介电材料和非极性物质具有良好的穿透性，可对不透明物体进行透视成像，可用于安检或质检过程中的无损检测。另外，太赫兹在浓烟、沙尘环境中传输损耗很少，是火灾救护、沙漠救援、 战场寻敌等复杂环境中成像的理想光源。 ② 低能性:太赫兹光子能量为 4 . 1 meV (毫电子伏特 )，只是 X射线光子能量的 107～108分之一，该值低于各种化学键的键能。太赫兹辐射不会导致光致电离而破坏被检物质，非常适用于针对人体或其,他生物样品的活体检查。另外，水对太赫兹辐射有极强的吸收，所以该辐射不会穿透人体的皮肤 ,对人体是很安全的。
③指纹谱性:太赫兹波段包含了丰富的物理和化学信息。大多极性分子和生物大分子的振 -转能级跃迁都处在太赫兹波段，所以根据这些指纹谱，太赫兹光谱成像技术能够分辨物体的形貌，鉴别物体的组分，分析物体的物理化学性质，为缉毒、反恐、排爆等提供相关的理论依据和探测技术。另外，与低频电磁波相比，太赫兹频率较高，可作为通讯载体，在单位时间内可以承载更多的信息。太赫兹辐射方向性很好，可用于战场中的短距离定向保密通讯。利用太赫兹成像还可获得更高的空间分辨率及更长的景深等。
2．太赫兹历史及国内外发展状况
实际上，早在一百多年前，就有科学工作者涉及过该波段的研究，即在 1896年和 1897年，Ruben和 Nichols对该波段进行先期的探索。在之后的近百年间，太赫兹科学与技术得到了初步的发展，许多重要理论和初期的太赫兹器件相继问世。现代太赫兹科学与技术的真正发展则是20世纪 80年代中期，随着一系列新技术、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太赫兹源成为一中常规技术。太赫兹技术也从此得以迅速发展。
根据太赫兹辐射的重大应用前景，从 20世纪90年代中期开始美国国家基金会、 航天局、 国防部、和国家卫生学会等政府或军事部门，对太赫兹科学研究项目持续提供了较大规模的资金支持。欧洲国家除了各国自己所支持的研究项目以外，还利用欧盟的资金共同组织了跨国界、 多学科、 大型的合作研究项目。日本政府近年来对太赫兹科研的投入经费每年都超过一千万美元，并于2005年 1月 8日将太赫兹科技列为“ 国家支柱技术十大重点战略目标”之首。目前,世界上约有 130多家研究机构开展了相关的光电子材料、太赫兹激光器、太赫兹光谱学及相关生物医学成像等研究。
我国开展太赫兹研究相对来说起步较晚，但是政府予以高度的重视。特别是 2005年 11月 22日，以“太赫兹科学技术的新发展 ”为主题的学术讨论会在北京香山饭店召开，来自科研院所、高等院校等相关领域的专家学者参加了此次学术讨论会，交流了国内外 THz科学技术的研究现状和发展趋势，探讨了我国 THz科学技术研究的重大科学问题和拟要解决的关键技术。11位院士在会上发言，对太赫兹科学技术的重要性和我国未来发展战略提出了宝贵意见。虽然我国在太赫兹的研究领域比国外起步晚了将近十年，但是目前总体上与国外的差距还不是很大。
4.太赫兹的产生
除了传统的太赫兹非相干的热辐射源 (高压汞弧灯和碳硅棒 )外，还有基于光学方法的太赫兹源、基于电子学方法的太赫兹源 ,以及基于等离子体方法的太赫兹源。 4 . 1基于光学方法的太赫兹源
目前，基于光学方法的太赫兹源主要有基于半导体瞬态电流的太赫兹源、基于非线性效应的太赫兹源和太赫兹气体激光器。其中，瞬态电流太赫兹源包括光电导机制和半
导体表面产生机制；而基于非线性效应的太赫兹源包括光整流机制，光混频机制和参量源。光学方法所产生的太赫兹辐射大多为宽带脉冲辐射。
4.2基于电子学方法的太赫兹源
基于电子学方法的太赫兹源通常可产生窄带连续太赫兹波，是比较容易实用化的太赫兹源。基于该方法的太赫兹源也可大致分为三类：太赫兹真空微电子器件、太赫兹相对论性器件和太赫兹半导体激光器。太赫兹真空微电子器件大多是基于微波器件结合先进的微细加工技术利用微波管的分布作用原理产生太赫兹波的微型真空电子器件，它们利用相对论，即电子的运动速度达到或接近光速，由电子的同步辐射产生高功率的太赫兹辐射。
4.3基于等离子体方法的太赫兹源
基于该方法的太赫兹源同样也可分为三类:空气中光丝产生太赫兹、激光尾场产生太赫兹和表面等离子产生太赫兹。空气中光丝产生太赫兹的技术可使太赫兹完全摆脱距离的限制,科学家推测可在几公里以外产生出太赫兹脉冲,同时也避免了太赫兹在空气中传输被水份吸收的问题,目前,相关的基本产生机制还没有定论，许多人建立了各自的模型来对这一现象进行解释。
对样品进行静态的高时间分辨率非接触式的相干测量,也可以探测样品的动态信息,对
样品的细微变化进行快速精确的分析和判断。另一方面,由于太赫兹的高透性,太赫兹可对许多非极性物质进行透射成像。但是太赫兹也不是万能的，它不能穿透金属，所以不能对金属容器内部进行检测；另外，水对太赫兹辐射吸收很强烈，由此使得太赫兹不能探测水中物体，因而不能对人体进行透射成像。
6.东南大学太赫兹研究所简介
通过老师的介绍，我知道了我们学校拥有一个实力强大的太赫兹研究所。它隶属东南大学科技处管理的挂靠在电子科学与工程学院下的科研单位。东南大学太赫兹研究所位于东南大学四牌楼校区内，座落于南高院三楼西侧。目前大型超净间实验室、化学间等都已建成并投入使用，同时采购了各种大型国际先进水平的实验设备。东南大学太赫兹研究所配备了强大的研究人员队伍，所长 是我国著名学者崔一平，副所长是崔铁军，以及 杨春、 马士华等一批具有非凡学识的研究人员。因此东南大学太赫兹研究所不仅是东南大学重要的研究所之一，更是国家太赫兹技术的重要研究所之一。
5.太赫兹的应用研究领域
太赫兹科学技术现在已经涉及到了通
讯、 军事、反恐、医学、安检和天文观测等领域
7.结语
太赫兹科学技术是本世纪的又一场“前沿革命 ”，它已成为科学研究的热门课题之一。太赫兹科学技术方兴未艾，已在一些重要的研究领域显示出其独特优越性。在 21世纪，太赫兹的应用研究将是相关科研人员的研究重点。太赫兹科学技术并不是万能的，它只是在一些领域是令其他技术诸如红外技术和微波技术等所不能比拟，但在另外一些方面它只是作为其他技术的补充和延 伸。虽然太赫兹科技在辐射源、探测器及相关的功能元器件技术方面发展不够理想，尚不能实用化、商业化，但它仍具有很高的科学研究价值和巨大的发展潜力。
参考文献：
[1] 王宏飞.改变未来世界的十大技术之—-------太赫兹技术[ J].科技大视野 , 2005, 4:
当前太赫兹科学技术所涉及的领域及
所发表的研究论文的比例
太赫兹光谱和成像是太赫兹应用研究的两大基础领域。太赫兹光谱中包含了丰富的物理和化学信息,许多物质在太赫兹波段都有指纹谱。利用太赫兹光谱技术不但可以
[2] 何德功.日本确立国家十大支柱技术 举全国之力研发
[3] 刘盛纲 ,姚建铨 ,张杰 ,等. 太赫兹科学技术的新发展，[C].香山科学会议第 270次学术讨论会，2005
[4] 许景周 ,张希成. 太赫兹科学技术和应用 [M]. 北京:北京大学出版社 , 2007 . [5] 张存林 ,等. 太赫兹感测与成像 [M]. 北京:国防工业出版社 , 2008 .
[6] 王少宏 ,许景周 ,汪力 ,等. THz技术的应用及展望 [J].物理 , 2001, 30 (10) : 6122 615 .