【正文】 ave imaging, nearfield imaging and tomography imaging are introduced. Potential applications of THZ technology, such as homeland security, biological research, materials research, nondestructive evaluation are discussedKey words: Tray imaging, THz wave , transverse mode distribution, slit method , THz imaging technologyII 1引言 THz輻射通常指的是波長(zhǎng)在3mm～30μm(100GHz～10THz)區(qū)間的遠(yuǎn)紅外電磁輻射，其波段位于微波和紅外之間，在20世紀(jì)80年代中期以前，由于缺乏有效的產(chǎn)生和檢測(cè)方法，人們對(duì)于該波段電磁輻射性質(zhì)的了解非常有限，以致該波段被稱為電磁波譜中的THz空隙，該波段也是電磁波譜中有待進(jìn)行全面研究的最后一個(gè)頻率窗口，近十幾年來(lái)，超快激光技術(shù)的迅速發(fā)展，為T(mén)Hz脈沖的產(chǎn)生提供了穩(wěn)定、可靠的激發(fā)光源，使THz輻射的機(jī)理研究、檢測(cè)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)得到蓬勃發(fā)展，THz技術(shù)之所以引起廣泛的關(guān)注，是由于太赫茲電磁波有其獨(dú)特的特點(diǎn)，它在物體成像、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療診斷、射電天文、寬帶移動(dòng)通訊、尤其是在衛(wèi)星通訊和軍用雷達(dá)等方面具有重大的科學(xué)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景[1]。另外，對(duì)諸如火焰的熱分析、塑料封裝集成電路的引線圖成像、聚合物內(nèi)部的氣泡以及陶瓷中的裂縫探測(cè)等，太赫茲時(shí)域譜成像都是極有前途的技術(shù)，自太赫茲電磁波被首次用于成像以來(lái)，各種太赫茲成像技術(shù)相繼問(wèn)世，如太赫茲近場(chǎng)成像技術(shù)，太赫茲層析成像技術(shù)，時(shí)域太赫茲逆向變換成像技術(shù)等等[2,3]。這主要?dú)w功于太赫茲波在某些應(yīng)用領(lǐng)域的不可替代性。正是太赫茲波的這些特性才使它在許多領(lǐng)域受到了重視。太赫茲波在材料研究、安檢，生物和醫(yī)學(xué)中的各種成像應(yīng)用是目前開(kāi)展得最廣泛的研究。例如使用太赫茲波成像技術(shù)在車(chē)站、機(jī)場(chǎng)對(duì)行李或旅客進(jìn)行安檢就非常理想，它可以準(zhǔn)確地檢查刀具、槍支、炸藥及非法藥品毒品等[68]。通過(guò)太赫茲TDS技術(shù)還可以同時(shí)探測(cè)太赫茲波的相位和振幅變化信息，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料光譜特性的研究，例如測(cè)定摻雜半導(dǎo)體載流子的富集度和遷移率[10]和研究高溫超導(dǎo)材料的特性[11]等。貝爾實(shí)驗(yàn)室的Mitrofanov等人用中心波長(zhǎng)為600μm的太赫茲波，得到了7μm的空間分辨率[12]；Yamashita等人在對(duì)大規(guī)模集成電路進(jìn)行成像時(shí)實(shí)現(xiàn)了3μm的分辨率。 如前所述，由于太赫茲波對(duì)材料的敏感性，太赫茲技術(shù)可以廣泛用于機(jī)場(chǎng)、碼頭等部門(mén)及國(guó)土安全檢測(cè)。另外有關(guān)太赫茲波炸藥探測(cè)和生化武器監(jiān)測(cè)的研究也正在開(kāi)展。由圖1可以看出，太赫茲波在軍事領(lǐng)域的吸引力并不在于它的靈敏度，而是它可以提供更高的空間分辨率或減小孔徑尺寸。例如，在l00m的距離使用1cm的探測(cè)器，就只能接收輻射到目標(biāo)上的太赫茲波能量的10。由于軍事應(yīng)用要求有高能量的光源、高靈敏度的探測(cè)技術(shù)和高穩(wěn)定性的系統(tǒng)，目前實(shí)驗(yàn)室采用的太赫茲系統(tǒng)大多都不能夠直接用于軍事用途，但是由于太赫茲波具有比毫米波更好的方向性和高的空間分辨率，比紅外光更大的帶寬和容量，太赫茲波用于軍事和通信還是有很大的前景的，尤其是在太空環(huán)境下。除了前面提到的癌癥診斷外，還可以采用反射型系統(tǒng)進(jìn)行太赫茲斷層掃描成像。由于許多蛋白質(zhì)和DNA大分子的集體振動(dòng)模式都是在太赫茲區(qū)，利用太赫茲TDS系統(tǒng)研究生物分子日益成為熱點(diǎn)。隨后，通過(guò)太赫茲TDS揭示生物分子的構(gòu)象和研究分子突變、分子結(jié)構(gòu)變化過(guò)程的工作便開(kāi)始得到廣泛開(kāi)展[14]。太赫茲在生物醫(yī)學(xué)上的其它用途還有：研究藥物和細(xì)胞的相互作用來(lái)指導(dǎo)藥物生產(chǎn)；DNA電荷傳遞分子機(jī)制的超快過(guò)程研究；核酸的電子轉(zhuǎn)移超快過(guò)程研究等。天體和星際輻射包含了星際形成過(guò)程和星際介質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的豐富信息，而太赫茲波段的觀測(cè)要比其它波段有更低的背景噪聲。 目前世界上已經(jīng)建造了多臺(tái)太赫茲波段的射電望遠(yuǎn)鏡，用于研究銀河系星際云中復(fù)雜的物理狀態(tài)及結(jié)構(gòu)。普射電所和美國(guó)亞利桑那州天文臺(tái)合作研制了一臺(tái)10m直徑的亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡。2003年，～(TREND)進(jìn)行了天文觀測(cè)，由于南極干燥稀薄的大氣層，這個(gè)波段將是地基望遠(yuǎn)鏡可以達(dá)到最好觀測(cè)效果的波段。到2007年，還計(jì)劃發(fā)射HERSCHEL太空望遠(yuǎn)鏡到近地軌道，上面的兩個(gè)測(cè)輻射熱儀將工作在60μm～210μm和200μm～670μm兩個(gè)波段。2 電磁波 關(guān)于無(wú)線電波在地球、地球大氣層和宇宙空間中傳播過(guò)程的理論。電波傳播已形成電子學(xué)的一個(gè)分支，它研究無(wú)線電波與媒質(zhì)間的這種相互作用，闡明其物理機(jī)理，計(jì)算傳播過(guò)程中的各種特性參量，為各種電子系統(tǒng)工程的方案論證、最佳工作條件選擇和傳播誤差修正等提供數(shù)據(jù)和資料。電波傳播為大氣物理和高層大氣物理等的研究提供探測(cè)方法，積累大批資料，提供數(shù)據(jù)分析的理論基礎(chǔ)。電波傳播的研究是開(kāi)拓利用這些資源的重要方面。電波傳播所涉及的媒質(zhì)有地球（地下、水下和地球表面等）、地球大氣（對(duì)流層、電離層和磁層等）、日地空間以及星際空間等。這些媒質(zhì)的結(jié)構(gòu)千差萬(wàn)別，電氣特性各異。這些媒質(zhì)的特性多數(shù)隨時(shí)間和空間而隨機(jī)地變化。因此，媒質(zhì)和傳播波的特性需要用統(tǒng)計(jì)方法來(lái)描述。電磁輻射可以按照頻率分類，從低頻率到高頻率，包括有無(wú)線電波、微波、紅外線、可見(jiàn)光、紫外光、X射線和伽馬射線等等。只要是本身溫度大于絕對(duì)零度的物體，都可以發(fā)射電磁輻射，而世界上并不存在溫度等于或低于絕對(duì)零度的物體。而在工程應(yīng)用中產(chǎn)生電磁波的源就是我們將要討論的各種天線。具體來(lái)講，就是變化的電荷電流產(chǎn)生變化的電磁場(chǎng)，而變化的電場(chǎng)又以同樣方式產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)反過(guò)來(lái)又產(chǎn)生電場(chǎng)，即按：源→電場(chǎng)→磁場(chǎng)→電場(chǎng)→磁場(chǎng)……，這樣一個(gè)過(guò)程形成存在于空間的電磁波，形象表示這一過(guò)程如圖2所示。按波動(dòng)的一般定義，物理學(xué)中把一列沿z軸方向傳播的波用如下數(shù)學(xué)式子表示： ?=?1(t)+?2(t+) （1）?1(t)表示以速度v向+z方向傳播的波；?2(t+)表示以速度v向z方向傳播的波。之所以這樣表示，是因?yàn)殡S著時(shí)間t的增加，波的傳播距離z也跟著增加，而二者構(gòu)成的宗量(t)卻能保持不變，從而與宗量有關(guān)的函數(shù)?(t)才能保持一個(gè)周期性變化，這是波動(dòng)的基本要求。作為常用的，也是電磁場(chǎng)量基本的一種變化形式，?隨宗量t按正弦規(guī)律變化，可表示成（假定波只沿z軸傳輸）[16] （2） 太赫茲波簡(jiǎn)介太赫茲（THz）（1THz＝1012Hz）～10THz（波長(zhǎng)在3mm～30μｍ）范圍內(nèi)的電磁輻射。在電磁頻譜上，太赫茲波段兩側(cè)的紅外和微波技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但是太赫茲技術(shù)基本上還是一個(gè)“空白”，究其緣由是因?yàn)樵诖祟l段上，既不完全適合用光學(xué)理論來(lái)處理，也不完全適合微波理論來(lái)研究，從而也就形成了科學(xué)家們通常所說(shuō)的“太赫茲空隙”。近十幾年來(lái)，超快激光技術(shù)的迅速發(fā)展,為太赫茲脈沖的產(chǎn)生提供了穩(wěn)定、可靠的激發(fā)光源，使太赫茲輻射的產(chǎn)生和應(yīng)用得到了蓬勃發(fā)展。由于太赫茲的頻率很高，所以其空間分辨率也很高；又由于它的脈沖很短，所以具有很高的時(shí)間分辨率。同時(shí)，由于太赫茲能量很小，不會(huì)對(duì)物質(zhì)產(chǎn)生破壞作用，所以與X射線相比更具有優(yōu)勢(shì)。太赫茲的應(yīng)用仍在不斷的開(kāi)發(fā)研究當(dāng)中，其廣闊的科學(xué)前景為世界所公認(rèn) 太赫茲波的產(chǎn)生一、THz波的產(chǎn)生 寬帶THz脈沖的產(chǎn)生主要有光導(dǎo)激發(fā)和光整流方法,此外還有非線性傳輸線方法等?？梢酝ㄟ^(guò)一個(gè)天線在短時(shí)間內(nèi)向自由空間傳播THz電磁波。圖3 利用光導(dǎo)激發(fā)產(chǎn)生THz場(chǎng)及相應(yīng)探測(cè)THz電磁輻射發(fā)射系統(tǒng)的性能主要決定于三個(gè)因素:光導(dǎo)體、天線幾何結(jié)構(gòu)和泵浦激光脈沖寬度。目前應(yīng)用最多的是Si和低溫生長(zhǎng)的GaAs。此外為了增大THz信號(hào)功率,可采用天線陣列。輻射出THz電磁波。要求一束超短激光脈沖聚焦在電光材料上。通過(guò)這種方法得到的THz電磁波頻率較低。常用的非線性介質(zhì)有LiNbOLiTaO半導(dǎo)體GaAs、InTe、InP和有機(jī)晶體DAST(圖4) 。非線性元件通常為肖特基變?nèi)荻O管。圖5 產(chǎn)生THz場(chǎng)的非線性設(shè)備由于非線性特性和固有散射之間的平衡,在裝置內(nèi)產(chǎn)生震蕩波或者孤子波,可以產(chǎn)生一定頻率的THz電磁場(chǎng)輻射。光學(xué)非線性晶體,例如LiNbO3，在近紅外區(qū)(),被較強(qiáng)的納秒脈沖激時(shí),產(chǎn)生受激極化散射現(xiàn)象。根據(jù)Wp=Wi+WTHz,產(chǎn)生THz電磁波。整個(gè)過(guò)程要求動(dòng)量守恒恒Kp = Ki + KTHz(圖6)。兩束激光(其中至少一個(gè)為連續(xù)可調(diào))在光導(dǎo)體內(nèi)進(jìn)行光混頻,可以產(chǎn)生一個(gè)頻率為它們差值的光電流。圖6 利用光學(xué)參量產(chǎn)生THz場(chǎng) 太赫茲波的探測(cè) 如果THz信號(hào)很弱,探測(cè)則是相當(dāng)艱難的任務(wù),并且由于光子能量很低,外界熱的噪聲超過(guò)THz信號(hào),因此需要控制探測(cè)器的溫度使其在較低的情況下工作。光導(dǎo)天線法和電光取樣法。所探測(cè)的波形信號(hào)和所用天線的共振響應(yīng)函數(shù)有關(guān)。兩場(chǎng)傳播方向相同,但偏振方向不同。 圖7 超短THz脈沖信號(hào)探測(cè) (a)光導(dǎo)天線 (b)電光取樣 在低頻范圍內(nèi),光導(dǎo)天線法有很好的信噪比和靈敏度,隨頻率增加,電光取樣逐漸發(fā)揮作用。 連續(xù)THZ場(chǎng)外差法探測(cè)：在微波、毫米波和THz頻率范圍內(nèi),最靈敏的探測(cè)器制作原理都以外差法原理為基礎(chǔ),它是由兩個(gè)信號(hào)混合而成,被探測(cè)的THz連續(xù)場(chǎng)信號(hào)和局部振蕩信號(hào)。外差法的處理通過(guò)一個(gè)非線性設(shè)備進(jìn)行,稱為混合器。通過(guò)對(duì)輸出信號(hào)的分析,可以得知THz信號(hào)的相關(guān)信息。要想THz技術(shù)應(yīng)用到氣體檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療設(shè)備等方面, 就必須使其小型化,低廉化、逐漸發(fā)展的納米技術(shù)等有可能使其從學(xué)術(shù)階段過(guò)渡到工業(yè)應(yīng)用方面[17]。1995年，Hu等在THzTDS系統(tǒng)中增加二維掃描平移臺(tái)，首次實(shí)現(xiàn)脈沖太赫茲時(shí)域光譜成像，并成功對(duì)樹(shù)葉、芯片等樣品成像。隨著對(duì)太赫茲波新特性的深入了解，太赫茲成像技術(shù)快速發(fā)展起來(lái)，涌現(xiàn)出了許多諸如太赫茲二維電光取樣成像、層析成像、太赫茲啁啾脈沖時(shí)域場(chǎng)成像、近場(chǎng)成像、太赫茲連續(xù)波成像等，可應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、質(zhì)量檢測(cè)、安全檢查、無(wú)損檢測(cè)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。利用反射掃描或透射掃描都可以成像，這主要取決于成像樣品及成像系統(tǒng)的性質(zhì)。利用該三維數(shù)據(jù)集合可得到一系列樣品的太赫茲圖