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THz电磁波的应用前景
THz电磁波段处在亚毫米波与远红外线之间，显然低端THz波具有微波辐射特性，高端THz波具有光波辐射特性，加上它是非离子化辐射和占有极宽波谱，它的应用前景是非常可观的。例如THz波能够透过许多非导电材料，包括衣料、纸张、木材、泥土、塑料、陶瓷。THz波还可穿过云雾，但被金属和水吸收，大气层对它也是强吸收体，故THz辐射的传播距离很短，限制它在地面的视线距离通信应用。
当前正在开发中的理论和技术应用主要集中在以下几个方面：
第一，医学成像。THz辐射的非电离性，不会像X射线那样对人体的DNA有破坏作用。某些THz辐射频率甚至可透过人身组织达到几cm深度并反射回来，同时可检测人身组织内水含量密度，以及有效检测到上皮癌细胞，代替常用的X射线透视和提供更安全的无损害成像。口腔科的牙齿三维照相也是潜在应用。肥胖人群由于体内脂肪太厚而阻挡x射线或超声波，使射束不能到达内脏的现象，将由THz的使用而得到改善。科学界认为，THz辐射能量比X射线低得多，对人体更为安全，而且适于分析、描绘被照射物质的成份和密度。
第二，搜索和安全检查。在这方面，THz辐射将起着重要作用，目前已经制成安检使用的透视器原型机，能够穿透衣物和包装，准确地识别传统武器、生物和化学武器、爆炸物。因为THz辐射不但获得化学武器、塑料炸弹图像，而且根据物体的唯一性光谱而获得它们的指纹。可以期待、在防止犯罪和恐怖分子的贩毒和破坏活动中THz将有更多作为。例如，成功地应用THz辐射检测到百米以外的nm尺寸物体，为NASA检测航天飞机的防热用泡沫层内部的裂痕隐患。
第三，光谱分析。在室温下的物体可发射THz波段热能，获得信息丰富的光谱图，可识别化学和生物物体的组成成份，遗传基因特性，蛋白缠绕的复杂动态过程，光激励反应特性等其它波段光谱分析难以分辨的信息。近年取得进展的THz时域光谱仪和THz断层分析，能够对可见光和近红外光透明的样品作测量和分析，由于脉冲THz的辐射具有相干和宽带特性，它的图像要比单一频率源的图像含有更多信息。
第四，卫星通信。THz的宽广频段有利于飞机对卫星和卫星对的高速数据传送和接收，对天体物理和外层空间获得更多的了解。
第五，其它应用。THz成像将部置于制造、质量控制和过程监控，因为塑料和纸箱对THz辐射呈现透明，对监控带来许多方便。微型传感器、MEMS器件、THz光电器件的探索等还处在初始阶段，应用成果将陆续出现。
我国THz研发结硕果
鉴于THz电磁波的重大应用前景，无论发达国家或发展中国家都投入较大规模的资金支持有关THz电磁波的理论和应用研发。以美国为例，美国国家基金会、航天局、国防部、能源部、研究机构、高等院校对THz电磁波研发十分活跃，课题覆盖面广，成果最多，人才济济。欧洲各国除支持本国的研发项目之外，还在欧盟范围内开展多学科的大型合作项目。亚洲的日本、韩国、中国(包括台湾)都有独立的研发机构。甚至大洋洲的澳大利亚同样重视THz电磁波的研发，在几所大学成立专题研究小组。我国科技部、中国科学院、自然科学基金委员会对THz电磁波研究给予高度关注，从2000年起一直作为基础研究重大项目、基金会重大项目、973计划实施相关安排，作为知识创新课题取得可喜成果，积累了相当多的工作经验，成为全球研发THz电磁波的重要组成部分。
到目前为止，THz电磁波振荡源只有脉冲振荡器，大部分属于3THz以下频段，连续波振荡源尚未解决，对5THz以上的辐射了解还不够。美国国防部高级研究计划局早在2002年即将连续波THz振荡源列为招标项目，一旦THz连续振荡器变得跟其它波段振荡器那样容易获得时，将会推动THz电磁波的研发和应用，使THz电磁波与其它微波波段或光波那样为人类社会带来深远的影响。人类在100多年内仅掌握100GHz以下的电磁波段，如果推进到1THz以上，可用波段将扩大10－100倍，从1mm波段至30μm远红外光波之间的空白将被突破，意义非常重大。
当前，实验用连续THz辐射可从同步光源取得，特别是第三代能量30MeV以上的高能同步加速器，能够产生从T射线、红外、紫外至x射线的辐射。2006年7月称为“钻石光源”的英国同步辐射光源调试成功，设计能量为30MeV的全球最强光源将在2007年启用，先建8个光束实验站可供实验之用，最终再建成40个光束实验站。每个实验站安装有可调狭缝阵列、各种光学镜头、晶体、光电／电光测量仪器、各种光谱仪等。光束站的x射线亮度是医用X射线的1000亿倍，超强光束能够深入到物质的分子，为研究物质、材料和生物样品的基本结构提供有效手段。我国在高能物理研究方面具有国际水平，在2004年底已启动“上海光源”计划，2009年将建成光束能量35MeV的第三代同步辐射光源，首期有10个光束实验站，最终建成40个光束实验站，目标是开展国际性的多学科综合研究，在材料、生物、医学和环境研究中取得突破性成果。上海光源的建成对我国T射线研发将有强力推动，取得更先进的成果。在上海光源建成之前，中科院上海分院的fs电子束加速器可获得飞秒脉冲的30MeV的电子束团，同时也是我国最大型的T射线实验室之一，它的T射线实验平台已开展多项材料的吸收和透射特性测量，对THz时域光谱和成像也取得进展。可以预期，上海光源投入使用后，我国在THz或T射线的研究和应用方面更上一层楼，会对相关研发做出国际水平的贡献。
走向商用化的第一步
THz频段的研究成果多年来一直只出现在实验室内，由于设备复杂和需要熟练人员操作，而未能将成果商业化。今年TeraView公司首先实现了THz测量设备的商业化，推出两套THz远红外光谱仪IPI Spectra 1000和2000，它们的主要特性是：
·频谱(波长)量程－40GHz－3THz，1．3cm-－100cm-1(Spectra 2000)；40GHz－4THz，1．3cm-1-133．3cm-1(Spectra 1000)；分辨率3GHz(0．1cm-1)。
·THz振荡源和检测器一激光器门控的光电半导体发射器；光电半导体接收器。
·扫描方式一步进方式和快速方式，单次快速扫描用40Hz和分辨率2-3cm-1
·数据采集－A／D转换器16位，Windows操作系统，USB接口，专用OPUS光谱分析软件。
·样品室一尺寸100×80mm的气体、液体室，常规N2气清洗，si材料的可配置壁板。
·尺寸、重量和电源－100×100×80cm(W×H×D)，200kg，3．5KVA，室温下工作。
与传统的远红外光谱分析仪比较，THz频段光谱能够检测到在生物，化学和物理中，许多重要物体所独特具有的分子间交互作用。例如药物的多晶态分子，对于药物分析和合成是十分有用的数据，对于蛋白质分析同样重要。两套仪器从实验室样机到定型机过程中做了大量改进和提高工作，使产品的THz发射和接收稳定，容易对准，优良的信号噪声比，在实验过程中获得衍射指数和吸收数据，能够在室温工作，样品更换方便等等。
非常明显，两套仪器的频段还不够宽，最高只达到4THz，相距THz频段的上限100THz还有一段距离。虽然TeraView公司走出的THz远红外光谱仪商用化的第一步，步伐并不大，却是非常重要的一步，表明已经真正进入了广阔的THz天地，将迎来更多的实用成果向商用化产品的转化。
结语
THz电磁波的重要性已为科学界所认识，对开拓THz电磁波的应用方兴未艾，当务之急是研发成功THz的连续波振荡源，其次是实现设备的小型化。换句话说，使THz电磁波从实验室走向现实世界。这个过程的长短，取决于研发和工程人员的共同努力，乐观的预测认为三至五年内将有成果，激光二极管和激光晶体管有潜力进入到THz波段，光电集成电路有可能制成手持式THz成像系统。目前的科技水平能够制成手提箱大小的THz透视设备，用于武器、炸药、毒品的安全检查，进一步努力可再小型化成数字相机那样轻便。可以认为，THz电磁波的实用化已经为期不远了。
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
THz电磁波段处在亚毫米波与远红外线之间，显然低端THz波具有微波辐射特性，高端THz波具有光波辐射特性，加上它是非离子化辐射和占有极宽波谱，它的应用前景是非常可观的。例如THz波能够透过许多非导电材料，包括衣料、纸张、木材、泥土、塑料、陶瓷。THz波还可穿过云雾，但被金属和水吸收，大气层对它也是强吸收体，故THz辐射的传播距离很短，限制它在地面的视线距离通信应用。
当前正在开发中的理论和技术应用主要集中在以下几个方面：
第一，医学成像。THz辐射的非电离性，不会像X射线那样对人体的DNA有破坏作用。某些THz辐射频率甚至可透过人身组织达到几cm深度并反射回来，同时可检测人身组织内水含量密度，以及有效检测到上皮癌细胞，代替常用的X射线透视和提供更安全的无损害成像。口腔科的牙齿三维照相也是潜在应用。肥胖人群由于体内脂肪太厚而阻挡x射线或超声波，使射束不能到达内脏的现象，将由THz的使用而得到改善。科学界认为，THz辐射能量比X射线低得多，对人体更为安全，而且适于分析、描绘被照射物质的成份和密度。
第二，搜索和安全检查。在这方面，THz辐射将起着重要作用，目前已经制成安检使用的透视器原型机，能够穿透衣物和包装，准确地识别传统武器、生物和化学武器、爆炸物。因为THz辐射不但获得化学武器、塑料炸弹图像，而且根据物体的唯一性光谱而获得它们的指纹。可以期待、在防止犯罪和恐怖分子的贩毒和破坏活动中THz将有更多作为。例如，成功地应用THz辐射检测到百米以外的nm尺寸物体，为NASA检测航天飞机的防热用泡沫层内部的裂痕隐患。
第三，光谱分析。在室温下的物体可发射THz波段热能，获得信息丰富的光谱图，可识别化学和生物物体的组成成份，遗传基因特性，蛋白缠绕的复杂动态过程，光激励反应特性等其它波段光谱分析难以分辨的信息。近年取得进展的THz时域光谱仪和THz断层分析，能够对可见光和近红外光透明的样品作测量和分析，由于脉冲THz的辐射具有相干和宽带特性，它的图像要比单一频率源的图像含有更多信息。
第四，卫星通信。THz的宽广频段有利于飞机对卫星和卫星对的高速数据传送和接收，对天体物理和外层空间获得更多的了解。
第五，其它应用。THz成像将部置于制造、质量控制和过程监控，因为塑料和纸箱对THz辐射呈现透明，对监控带来许多方便。微型传感器、MEMS器件、THz光电器件的探索等还处在初始阶段，应用成果将陆续出现。
我国THz研发结硕果
鉴于THz电磁波的重大应用前景，无论发达国家或发展中国家都投入较大规模的资金支持有关THz电磁波的理论和应用研发。以美国为例，美国国家基金会、航天局、国防部、能源部、研究机构、高等院校对THz电磁波研发十分活跃，课题覆盖面广，成果最多，人才济济。欧洲各国除支持本国的研发项目之外，还在欧盟范围内开展多学科的大型合作项目。亚洲的日本、韩国、中国(包括台湾)都有独立的研发机构。甚至大洋洲的澳大利亚同样重视THz电磁波的研发，在几所大学成立专题研究小组。我国科技部、中国科学院、自然科学基金委员会对THz电磁波研究给予高度关注，从2000年起一直作为基础研究重大项目、基金会重大项目、973计划实施相关安排，作为知识创新课题取得可喜成果，积累了相当多的工作经验，成为全球研发THz电磁波的重要组成部分。
到目前为止，THz电磁波振荡源只有脉冲振荡器，大部分属于3THz以下频段，连续波振荡源尚未解决，对5THz以上的辐射了解还不够。美国国防部高级研究计划局早在2002年即将连续波THz振荡源列为招标项目，一旦THz连续振荡器变得跟其它波段振荡器那样容易获得时，将会推动THz电磁波的研发和应用，使THz电磁波与其它微波波段或光波那样为人类社会带来深远的影响。人类在100多年内仅掌握100GHz以下的电磁波段，如果推进到1THz以上，可用波段将扩大10－100倍，从1mm波段至30μm远红外光波之间的空白将被突破，意义非常重大。
当前，实验用连续THz辐射可从同步光源取得，特别是第三代能量30MeV以上的高能同步加速器，能够产生从T射线、红外、紫外至x射线的辐射。2006年7月称为“钻石光源”的英国同步辐射光源调试成功，设计能量为30MeV的全球最强光源将在2007年启用，先建8个光束实验站可供实验之用，最终再建成40个光束实验站。每个实验站安装有可调狭缝阵列、各种光学镜头、晶体、光电／电光测量仪器、各种光谱仪等。光束站的x射线亮度是医用X射线的1000亿倍，超强光束能够深入到物质的分子，为研究物质、材料和生物样品的基本结构提供有效手段。我国在高能物理研究方面具有国际水平，在2004年底已启动“上海光源”计划，2009年将建成光束能量35MeV的第三代同步辐射光源，首期有10个光束实验站，最终建成40个光束实验站，目标是开展国际性的多学科综合研究，在材料、生物、医学和环境研究中取得突破性成果。上海光源的建成对我国T射线研发将有强力推动，取得更先进的成果。在上海光源建成之前，中科院上海分院的fs电子束加速器可获得飞秒脉冲的30MeV的电子束团，同时也是我国最大型的T射线实验室之一，它的T射线实验平台已开展多项材料的吸收和透射特性测量，对THz时域光谱和成像也取得进展。可以预期，上海光源投入使用后，我国在THz或T射线的研究和应用方面更上一层楼，会对相关研发做出国际水平的贡献。
走向商用化的第一步
THz频段的研究成果多年来一直只出现在实验室内，由于设备复杂和需要熟练人员操作，而未能将成果商业化。今年TeraView公司首先实现了THz测量设备的商业化，推出两套THz远红外光谱仪IPI Spectra 1000和2000，它们的主要特性是：
·频谱(波长)量程－40GHz－3THz，1．3cm-－100cm-1(Spectra 2000)；40GHz－4THz，1．3cm-1-133．3cm-1(Spectra 1000)；分辨率3GHz(0．1cm-1)。
·THz振荡源和检测器一激光器门控的光电半导体发射器；光电半导体接收器。
·扫描方式一步进方式和快速方式，单次快速扫描用40Hz和分辨率2-3cm-1
·数据采集－A／D转换器16位，Windows操作系统，USB接口，专用OPUS光谱分析软件。
·样品室一尺寸100×80mm的气体、液体室，常规N2气清洗，si材料的可配置壁板。
·尺寸、重量和电源－100×100×80cm(W×H×D)，200kg，3．5KVA，室温下工作。
与传统的远红外光谱分析仪比较，THz频段光谱能够检测到在生物，化学和物理中，许多重要物体所独特具有的分子间交互作用。例如药物的多晶态分子，对于药物分析和合成是十分有用的数据，对于蛋白质分析同样重要。两套仪器从实验室样机到定型机过程中做了大量改进和提高工作，使产品的THz发射和接收稳定，容易对准，优良的信号噪声比，在实验过程中获得衍射指数和吸收数据，能够在室温工作，样品更换方便等等。
非常明显，两套仪器的频段还不够宽，最高只达到4THz，相距THz频段的上限100THz还有一段距离。虽然TeraView公司走出的THz远红外光谱仪商用化的第一步，步伐并不大，却是非常重要的一步，表明已经真正进入了广阔的THz天地，将迎来更多的实用成果向商用化产品的转化。
结语
THz电磁波的重要性已为科学界所认识，对开拓THz电磁波的应用方兴未艾，当务之急是研发成功THz的连续波振荡源，其次是实现设备的小型化。换句话说，使THz电磁波从实验室走向现实世界。这个过程的长短，取决于研发和工程人员的共同努力，乐观的预测认为三至五年内将有成果，激光二极管和激光晶体管有潜力进入到THz波段，光电集成电路有可能制成手持式THz成像系统。目前的科技水平能够制成手提箱大小的THz透视设备，用于武器、炸药、毒品的安全检查，进一步努力可再小型化成数字相机那样轻便。可以认为，THz电磁波的实用化已经为期不远了。
注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”