太赫茲光譜

太赫茲（THz）輻射通常定義為100GHz（3mm）至10THz（30μm）范圍內的電磁頻譜區域，介于毫米和紅外頻率之間。太赫茲波段有幾個名稱，例如亞毫米波、遠紅外和近毫米波。

電磁頻譜中的太赫茲波段如圖1所示。

圖1太赫茲波段在電磁波譜中的位置示意圖

與相鄰區域（即微波和光學波段）相比，這部分電磁頻譜是研究最少的區域。

這就是為什么使用術語“太赫茲間隙”來解釋該波段與發達的相鄰光譜區域相比的初期。這導致來自不同學科（如物理學、材料科學、電子學、光學和化學）的研究人員研究太赫茲波的各種未探索或探索較少的方面。

太赫茲波的性質

盡管對太赫茲區域的興趣可以追溯到1920年代，但僅在過去的30年中，才對該區域進行了廣泛的研究。這樣做的一個關鍵動機是在太赫茲頻率范圍內卓越的波特性和廣泛的可能應用。

太赫茲波具有夾在它們之間的兩個波段的中間特征。

這些屬性可以總結如下：

穿透性：太赫茲輻射的波長比紅外波長長；因此，與紅外波（在微米范圍內）相比，太赫茲波具有更少的散射和更好的穿透深度（在厘米范圍內）。因此，干燥的非金屬材料在這個范圍內是透明的，但在可見光譜中是不透明的。

分辨率：與微波相比，太赫茲波的波長更短；這提供了更好的空間成像分辨率。

安全性：太赫茲波段的光子能量遠低于X射線。因此，太赫茲輻射是非電離的。

光譜指紋：許多分子的振動間和振動內模式位于太赫茲范圍內。

開發太赫茲頻段的挑戰

盡管太赫茲波段有幾個引人入勝的特征，但太赫茲技術也存在一些特定的挑戰。與相鄰波段相比，太赫茲領域發展不足的主要原因是缺乏高效、連貫和緊湊的太赫茲源和探測器。

源的這些特性可以在常見的微波頻率源（例如晶體管或RF/MW天線）以及在可見光和紅外范圍內工作的設備（例如半導體激光二極管）中找到。然而，在不顯著降低功率和效率的情況下，采用這些技術在太赫茲區域運行是不可能的。

在太赫茲頻率范圍的低端，一般采用固態電子器件；然而，由于電抗效應和較長的傳輸時間，此類設備具有1/f2的滾降。另一方面，由于缺乏具有足夠小的帶隙能量的材料，二極管激光器等光學器件在太赫茲范圍限制下表現不佳。

太赫茲頻段的另一個挑戰是高損耗。太赫茲波在大氣情況和潮濕環境中具有很高的吸收性。圖2描繪了整個電磁頻譜的大氣衰減。

圖2.不同大氣情況下的海平面衰減：雨=4mm/h；霧=100m能見度；STD=7.5g/m3水蒸氣；2×STD=15g/m3水蒸氣。

很明顯，太赫茲范圍內的信號衰減遠遠超過微波和紅外波段。這部分是因為水分子在這個范圍內共振。

太赫茲波的不利大氣特性使其成為以下兩種情況的合適工作頻率區域：

航空航天：在太空中，環境接近真空，因此水滴引起的信號吸收和衰減不是問題。此外，星際塵埃的光譜特征位于太赫茲區域。因此，太赫茲技術在射電天文學中得到了廣泛的應用，例如歐洲航天局發射的赫歇爾空間天文臺。

短程：對于短程應用，大氣衰減可以忽略不計，尤其是高吸收頻率。這使得這些窄線的影響的去除/識別更容易。因此，太赫茲技術對于物理和化學等各個學科的基礎研究來說是一個非常資源豐富的工具。此外，對于具有高數據速率的短距離無線通信來說，它也是一個有吸引力的選擇。

太赫茲輻射的應用

太赫茲輻射可用于許多潛在應用，包括太赫茲成像、光譜學和無線通信。

生物醫學成像是太赫茲成像的子類別之一。太赫茲波可以在人體組織中穿透數百微米；因此太赫茲醫學成像可應用于皮膚、口腔、乳腺癌等體表診斷，以及牙科成像。此外，太赫茲系統在安全應用、固體爆炸材料檢測和郵件篩選方面具有潛在市場。最后但同樣重要的是，太赫茲成像是一種方便的半導體封裝檢測方法。

太赫茲光譜是一種非常強大的技術，可用于表征材料特性并了解它們在該波段中的特征。太赫茲光譜增強了對許多單晶、微晶和有機分子粉末樣品的吸收特征的理解。

圖3顯示了用于識別麥芽糖分子振動模式的測量結果樣本。

圖3.在太赫茲時域光譜系統中測得的麥芽糖振動光譜，上圖顯示了沒有麥芽糖樣品時測得的太赫茲信號。下圖中的箭頭顯示麥芽糖分子的振動頻率。插圖顯示了麥芽糖的分子結構。

太赫茲光譜在生物化學科學中具有應用，例如DNA特征和蛋白質結構的分析。生產過程的在線控制是太赫茲光譜的另一個潛在應用，它可以提供非接觸式和實時測量。由于太赫茲頻率的高吸水率，太赫茲光譜可以被積極地操縱以區分水合物質和干燥物質。例如，在造紙工業中，太赫茲光譜已被制造商用于監測紙張的厚度和水分含量。

在某些應用中，例如無損檢測，同時采用太赫茲成像和光譜學。例如，在藝術史調查中，太赫茲成像和光譜有助于對文物進行成像，以揭示藝術品不同層的厚度并顯示材料類型。

圖4顯示了Preghiera麥當娜的可見照片（左）和基于0.5–1THz之間的綜合光譜的繪畫太赫茲圖像（右）。

圖4.（a）Preghiera圣母像的可見照片（b）Preghiera圣母像在0.5和1THz之間的綜合光譜上的太赫茲圖像。

太赫茲成像提供了有關繪畫底層的信息，具有數十微米量級的開創性細節。

此外，太赫茲成像和光譜是用于檢查藥物固體劑型、片劑包衣和活性藥物成分的兩種強大的定量和定性非侵入性方法。例如，圖5顯示了THz區域包衣過程中8片相同包衣時間的片劑包衣層厚度的片間變化。

圖5.每個片劑的平均包衣厚度與包衣時間的關系，插圖顯示了八片相同包衣時間為120分鐘的包衣厚度圖（μm）。明顯的片劑間包衣厚度差異很大。太赫茲波段的潛力

在20世紀末和21世紀的第一個十年，當大量的太赫茲實驗室實驗正在進行時，研究人員主要集中在各種潛在的太赫茲應用上，并取得了非常有希望的成果。事實上，這些引人入勝的實驗結果是許多研究人員深入研究太赫茲領域并從不同方面進行探索的巨大動力和動力。

由于近年來太赫茲研究領域的不斷進步，太赫茲系統和應用正在一些商業應用中找到自己的位置。然而，為了讓太赫茲波能夠在現實世界場景中競爭和克服其他技術，必須解決和/或改進各種問題。例如，需要高功率和緊湊的太赫茲源，太赫茲測量系統應該小型化，需要更快的太赫茲光束掃描方法，太赫茲系統應該具有更低的成本。

另一個新興的研究領域是太赫茲無線通信。這是特別需要的，因為它允許超過5G的高速無線通信。因此，需要各種研究來成熟并充分發揮太赫茲頻段的潛力。