太赫兹技术若干难点问题探讨.pdfVIP

全国第十四届红外加热暨红外医学发展研讨会论文及论文摘要集 太赫兹技术若干难点问题探讨 罗春娅1’2，凌福日1，刘劲松1，姚建铨1，乐进1，曾 颖1 (1．华中科技大学，武汉光电国家实验室，湖北武汉430074； 2．黄冈师范学院，物理与电子信息学院，湖北黄冈430081) 摘要：太赫兹技术由于其特殊的频谱特性，使其在理论和工程上都有极高的研究价值，介绍了太 赫兹科学的概念，研究进展和主要应用范围，太赫兹技术是频谱技术，成像和安检的重要途径， 但目前仍存在太多领域无法研究透彻，从而限制了太赫兹技术在实际中的应用，基于此，提出了 研究领域的相关难题，为太赫兹的后续研究指明了方向，同时对其研究方向做出了展望。 关键词：太赫兹；难点；波谱特性；探测 中图分类号：TN216；0439 0 引言 要波谱范围在长波和短波内与毫米波和红外波均有重叠，由于它的特殊性质：低能性，太赫兹光子能量低 于各种化学键的键能，测试中不会引起电离反应；透视性，太赫兹辐射对半导体材料和非极性的液体均有 很好的穿透性，可以用来对不透明的物体透视成像；宽带性，单个太赫兹波频带范围可以覆盖GHz到几十 THz，可以在大范围内分析物质的光谱性质，在通信中承载更多的信息。作为其它波段电磁波的有力补充， 拥有很好的应用前景。 本文通过分析太赫兹波谱的特性，介绍了该技术的研究进展，并对我国的太赫兹研究发展的难题进行 了分析。 1太赫兹技术发展的难点问题 当前的科研主要集中在太赫兹成像【2圳、波谱和生物技术方面，具体说来，安检中就集中用到了成像技 术和无损检测技术，无损检测用到的就是物质的波谱信息。目前的研究取得了阶段性的成果，但是，仍然 存在以下的各种问题： 1)在生物技术中，关键问题在于如何测量含水环境中生物样品的太赫兹频率响应和生物活体的氨基酸、 DNA和RNA的识别。 太赫兹频率的脉冲已经证明大多数生物样品的大分子和基团的振动或者转动能级在太赫兹频率范围 内，很多生物大分子在单体自由状态下存在和结构有关的太赫兹频率特征响应，已经实现了对单个DNA 和双排DNA序列的探测。另外，实验已经证明动物的一些脏器组织，例如肝脏和表皮在太赫兹频率范围 具有双折射效应。最重要的：太赫兹光子能量低，对生物活体细胞造不成任何伤害，这些为太赫兹在生物 活体成像和指纹谱识别检测等方向提供了重要的应用前景和依据。但大多数在生物体内的分子通常都存在 于含水的环境中，所以，现阶段的主要应用集中在无水的环境，比如：粮食选种等。虽然也可利用其亲水 性，研究其太赫兹频率响应的植物中水的输运机理。但总的说来，如何探测含水环境中生物分子的太赫兹 频率响应特性，存在一个很大的困难，就是水对太赫兹电磁波的强烈吸收，使得现有的太赫兹光谱探测技 术无法对近生理条件下的生物分子进行有效探测和光谱分析。这一困难极大地限制了太赫兹光谱分析技术 的生物学和医学应用。 基金项目：黄冈师范学院科学研究项目，编号：2013020303。 259 全国第十四届红外加热暨红外医学发展研讨会论文及论文摘要集 另外，如何利用太赫兹波谱特性区分正常和病变的细胞或组织，怎样检测和识别蛋白质、氨基酸和DNA 等，以及怎样实现对生物活体的细胞、特定病变部位或整个活体的快速成像是目前太赫兹生物活体检测中 所遇到的瓶颈性的研究难点。 2)太赫兹波室温下的直接探测 太赫兹探测器是决定太赫兹波投入到实际应用的决定性条件之一。现有的探测方式大多是间接探测： 电光探测、光电导和电子混频。这些探测器结构复杂，限制因素多。室温下太赫兹直接探测器只有少部分 热探测器(热释电)和一些光电探测器(场效应管)，它们的响应带宽和探测灵敏度有些不太理想；另外， 由于目前的太赫兹室温直接探测器多为单点探测器，在成像应用中它们的探测速率很低，不能满足实际的 需求，所以急需开发室温下太赫兹阵列探测器，以此进行实时快速成像。而与阵列探测器相关的制作原理 及方法的研究(包括单点探测器)，信号的获取及处理等是亟待解决的研究难点。 3)固态增益介质能级跃迁辐射太赫兹波的机理 基于光学方法产生的太赫兹辐射源通常集中在非线性光学上【51，但是存在着转