毫米波与太赫兹

太赫兹(Terahertz,1THz=1012Hz)泛指频率在0.1~10THz波段内的电磁波,位于红外和微波之间,处于宏观电子学向微观光子学的过渡阶段。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。在20世纪80年代中期之前,太赫兹波段两侧的红外和微波技术发展相对比较成熟,但是人们对太赫兹波段的认识仍然非常有限,形成了所谓的“THz Gap”。在国内,频率为30-300GHz、波长为10~1毫米的电磁波一般称为毫米波。300GHz-3THz的频段一般称为太赫兹。毫米波与太赫兹位于微波与远红外波相交叠的波长范围,因而兼有两种波谱的特点。

毫米波与太赫兹在通信、雷达、制导、遥感技术、射电天文学、临床医学和波谱学方面都有重大的意义。利用大气窗口的毫米波频率可实现大容量的卫星-地面通信或地面中继通信。利用毫米波天线的窄波束和低旁瓣性能可实现低仰角精密跟踪雷达和成像雷达。在远程导弹或航天器重返大气层时,需采用能顺利穿透等离子体的毫米波实现通信和制导。高分辨率的毫米波辐射计适用于气象参数的遥感。用毫米波和亚毫米波的射电天文望远镜探测宇宙空间的辐射波谱可以推断星际物质的成分。毫米波在频谱上介于红外线和微波之间。这段频谱与可见光和红外线比较,对大多数非金属物体都有一定的穿透性,同时又具备微波所没有的解析度。同时,毫米波属于非电离辐射,对人体无害,扫描电磁辐射仅为手机辐射的千分之一,比微波率更安全,毫米波安检已经成为公认的技术方向。

2004年,美国政府将THz科技评为“改变未来世界的十大技术”之一,而日本于2005年1月8日更是将THz技术列为“国家支柱十大重点战略目标”之首,举全国之力进行研发。我国政府在2005年11月专门召开了“香山科技会议”,邀请国内多位在THz研究领域有影响的院士专门讨论我国THz事业的发展方向,并制定了我国THz技术的发展规划。另外,美国、欧洲、亚洲、澳大利亚等许多国家和地区政府、机构、企业、大学和研究机构纷纷投入到THz的研发热潮之中。

太赫兹的独特性能给通信(宽带通信)、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像(无标记的基因检查、细胞水平的成像)、无损检测、安全检查(生化物的检查)等领域带来了深远的影响。由于太赫兹的频率很高,所以其空间分辨率也很高;又由于它的脉冲很短(皮秒量级)所以具有很高的时间分辨率。太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术由此构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。同时,由于太赫兹能量很小,不会对物质产生破坏作用,所以与X射线相比更具有优势。另外,由于生物大分子的振动和转动频率的共振频率均在太赫兹波段,因此太赫兹在粮食选种,优良菌种的选择等农业和食品加工行业有着良好的应用前景。太赫兹的应用仍然在不断的开发研究当中,其广袤的科学前景为世界所公认。