太赫兹频段简介

了解太赫兹波段、它的属性以及它在哪些方面发挥效用。

如果您听说过“太赫兹间隙”这个词但不知道它的意思，那么这篇文章就是为您准备的。

太赫兹光谱

太赫兹 (THz) 辐射通常定义为 100 GHz (3 mm) 至 10 THz (30 μm) 范围内的电磁频谱区域，介于毫米和红外频率之间。太赫兹波段有亚毫米波、远红外、近毫米波等多种名称。

在 1 THz 时，辐射信号具有以下特性：

• 波长： 300 μm 自由空间
• 期间： 1 秒，
• 光子能量： 4.14 meV

此外，hf/kB =48 K 温度，其中 h 是普朗克常数 (6.62607004 × 10 ^-34 J.s)，f 是频率，kB 是玻尔兹曼常数 (1.380649×10 ⁻²³ J/K).

电磁波谱中的太赫兹波段如图1所示。

图 1. 太赫兹频段在电磁频谱中的位置示意图

与邻近区域（即微波和光带）相比，这部分电磁波谱是研究最少的区域。

这就是为什么使用术语“太赫兹间隙”来解释该频段与发达的相邻光谱区域相比处于起步阶段的原因。这促使来自不同学科（如物理学、材料科学、电子学、光学和化学）的研究人员对太赫兹波的各种未探索或探索较少的方面进行了研究。

太赫兹波的特性

尽管对太赫兹区域的兴趣可以追溯到 1920 年代，但仅在过去的 30 年中才对该区域进行了广泛的研究。这样做的一个关键动机是在太赫兹频率范围内的特殊波特性和广泛的可能应用。

太赫兹波具有夹在其间的两个频段的中间特性。

这些属性可以总结如下：

1. 渗透率： 太赫兹辐射的波长比红外波长长；因此，与红外波（μm 范围内）相比，THz 波具有更少的散射和更好的穿透深度（在 cm 范围内）。因此，干燥和非金属材料在此范围内是透明的，但在可见光谱中是不透明的。
2. 分辨率： 与微波相比，太赫兹波的波长更短；这提供了更好的空间成像分辨率。
3. 安全： 太赫兹波段的光子能量远低于 X 射线。因此，太赫兹辐射是非电离的。
4. 光谱指纹： 许多分子的内部和内部振动模式位于太赫兹范围内。

太赫兹频段发展面临的挑战

尽管太赫兹频段有几个引人入胜的特性，但也存在一些特定于太赫兹技术的挑战。太赫兹场相对于相邻频段发展不足的主要原因是缺乏高效、相干、紧凑的太赫兹源和探测器。

源的这些特性可以在常见的微波频率源（例如晶体管或 RF/MW 天线）以及在可见光和红外范围内工作的设备（例如半导体激光二极管）中找到。然而，在不显着降低功率和效率的情况下，采用这些技术在太赫兹区域运行是不可能的。

在太赫兹频率范围的低端，一般采用固态电子器件；但是，此类设备的滚降率为 1/f ² 由于反应电阻效应和较长的传输时间。另一方面，由于缺乏带隙能量足够小的材料，二极管激光器等光学器件在太赫兹范围限制下表现不佳。

太赫兹频段的另一个挑战是高损耗。太赫兹波在大气环境和潮湿环境中具有高吸收性。整个电磁频谱的大气衰减如图 2 所示。

图 2. 不同大气情况下的海平面衰减：降雨 =4 mm/h；雾 =100 m 能见度； STD =7.5 克/平方米 ³ 水蒸气; 2×STD =15 克/平方米 ³ 水蒸气。图片来自 M. C. Kemp 通过 IEEE Xplore

很明显，太赫兹范围内的信号衰减比微波和红外波段要严重得多。部分原因是水分子在这个范围内共振。

太赫兹波不利的大气特性使其成为以下两种情况的合适工作频段：

• 航空航天： 在太空中，环境接近真空，因此水滴引起的信号吸收和衰减不成问题。此外，星际尘埃的光谱特征位于太赫兹区域。因此，太赫兹技术在射电天文学中得到了广泛的应用，例如欧洲航天局发射的赫歇尔空间天文台。
• 短程： 对于短距离应用，大气衰减可以忽略不计，尤其是高吸收频率。这使得更容易去除/识别这些窄线的影响。因此，太赫兹技术是一种非常有用的工具，可用于物理和化学等各个学科的基础研究。此外，对于具有高数据速率的短距离无线通信来说，它也是一个有吸引力的选择。

太赫兹辐射的应用

太赫兹辐射可用于太赫兹成像、光谱学和无线通信等许多潜在应用。

生物医学成像是太赫兹成像的子类别之一。太赫兹波可以穿透人体组织达数百微米；因此太赫兹医学成像可用于皮肤、口腔和乳腺癌检测等体表诊断，以及牙科成像。此外，太赫兹系统在安全应用、固体爆炸材料检测和邮件筛选方面具有潜在市场。最后但同样重要的是，太赫兹成像是一种方便的半导体封装检测方法。

太赫兹光谱是一种非常强大的技术，可以表征材料特性并了解它们在该波段的特征。太赫兹光谱增强了对许多有机分子单晶、微晶和粉末样品的吸收特征的理解。

图 3 显示了用于识别麦芽糖分子振动模式的测量结果样本。

图 3。 在太赫兹时域光谱系统中测得的麦芽糖振动谱，上图显示了在没有麦芽糖样品的情况下测得的太赫兹信号。下图中的箭头表示麦芽糖分子的振动频率。插图显示麦芽糖的分子结构。图片来自 Y. C. Shen 等人，来自 Applied Physics Letters .

太赫兹光谱在生物化学科学中具有应用，例如 DNA 特征和蛋白质结构的分析。生产过程的在线控制是太赫兹光谱的另一个潜在应用，它可以提供非接触式和实时测量。由于太赫兹频率的高吸水率，太赫兹光谱可以被积极地操作以区分水合物质和干燥物质。例如，在造纸行业，太赫兹光谱已被制造商用于监测纸张的厚度和水分含量。

在一些应用中，例如非破坏性测试，太赫兹成像和光谱学都被使用。例如，在艺术史调查中，太赫兹成像和光谱学有助于对古物进行成像，揭示艺术品不同层的厚度并显示材料类型。

图 4 显示了 Preghiera 中的麦当娜的可见照片（左）和基于 0.5 – 1 THz 之间的积分光谱的画作的 THz 图像（右）。

图 4。 (a) Preghiera 圣母玛利亚的可见照片 (b) Preghiera 圣母玛利亚在 0.5 和 1 THz 之间的积分光谱上的 THz 图像。图片来自 J. Dong 等人，来自 Scientific Reports

太赫兹成像提供了有关这幅画底层的信息，具有突破性的数十微米量级的细节。

此外，太赫兹成像和光谱是两种强大的定量和定性非侵入性方法，用于检查药物固体剂型、片剂包衣和活性药物成分。例如，图5显示了在太赫兹区域包衣过程中8片相同包衣时间的包衣层厚度的片间变化。

图 5。 每个单独片剂的平均包衣厚度与包衣时间的关系，插图显示了 120 分钟相同包衣时间的八片片剂的包衣厚度图 (μm)。包衣厚度的大片与片之间的差异是明显的。图片来自 Y. C. Shen 通过 International Journal of Pharmaceutics

太赫兹波段的潜力

20世纪末、21世纪头十年，太赫兹实验室进行了大量的实验，研究人员主要集中在各种潜在的太赫兹应用上，取得了非常有希望的成果。事实上，这些引人入胜的实验结果是许多研究人员深入研究太赫兹领域并从不同角度探索它的巨大动力和动力。

由于近年来太赫兹研究领域的不断进步，太赫兹系统和应用在一些商业应用中找到了自己的位置。然而，为了使太赫兹波能够在现实世界中竞争和克服其他技术，必须解决和/或改进各种问题。例如，需要大功率和紧凑的太赫兹源，太赫兹测量系统应该小型化，需要更快的太赫兹波束扫描方法，太赫兹系统应该具有较低的成本。

另一个新兴的研究领域是太赫兹无线通信。这是特别需要的，因为它允许超过 5G 的高速无线通信。因此，需要进行各种研究以成熟并充分发挥太赫兹频段的潜力。

关于太赫兹波段技术，您想了解什么？在下面的评论中分享您的问题。