太赫兹技术发展评述毕业论文

姓名：边颖超 学号： 毫米波是指频率在30～300 GHz之间的电磁波，太赫兹波是指频率在100 GHz～10 THz之间的电磁波。这两段电磁频谱处于传统电子学和光子学研究频段之间的特殊位置，过去对其研究以及开发利用都相对较少,如图1毫米波及太赫兹频段在电磁波谱中的位置图。随着雷达和无线通信等无线应用的高速发展，现有的频谱资源已变得日益匮乏，开发新频段已逐渐成为解决此矛盾的一种共识，而在毫米波和太赫兹频段存在大量未被开发的频谱资源，使得毫米波和太赫兹频率适于作为未来雷达和无线通信等应用的新频段。 近几十年来,毫米波技术得到了长足的进步。毫米波芯片方面，如主流集成电路工艺的砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等；在毫米波真空电子器件方面，如加拿大CPI公司研制的速调管(Klystron)在W波段上获得了超过200W的脉冲输出功率；具体的应用已经扩展到多个领域，如毫米波通信、毫米波成像、毫米波雷达等。 而太赫兹技术作为一项新起之秀，相对于毫米波技术，还处在探索阶段。其兼有微波/毫米波和红外可见光两个区域的特性，融合了微波和红外可见光的优点，其在宽带无线通信、精细成像方面具有重要的应用价值。太赫兹技术主要包括太赫兹波源、太赫兹传输和太赫兹检测等，其关键部件可以分为无源元件和有源器件。无源元件包括太赫兹传输线、滤波器、耦合器、天线等, 而有源器件包括太赫兹混频器、倍频器、检波器、放大器、振荡器等。近三十年来，太赫兹源、检测及相关元器件取得了重要进展。如今已在物理、化学生命科学、材料科学、通信等领域掀起了一轮研究热潮，成为下一代信息产业的科学技术基础，对现代科学技术、国民经济、国防建设具有重大意义。 THz波的波长处于微波及红外光之间，因此在应用方面，相对于其他波段的电磁波具有非常强的互补特征。与微波、毫米波相比，THz探测系统可以获得更高的分辨率，具有突出的抗干扰能力和独特的反隐身能力；与激光相比THz系统具有视场范围宽、搜索能力好、适用恶劣气象条件等优点。 首先，THz科学技术可以为科学研究提供强有力的新方法。THz科技在物理学、化学、生物医学、天文学、材料科学和环境科学等方面有极其重要的应用。例如THz波不仅可以成像，而且可以作为一种特殊而有效的探针，对物质内部进行深入的研究，提供关于物质的化学及生物成分、波谱特性、THz标记、分子动力学过程，乃至量子互作用过程等重要信息。其次，THz科技对国民经济发展将起重要的推动作用。例如THz在生物医学上的应用具有很大的吸引力，在皮肤癌的诊断和治疗、DNA的探测、THz断层成像、THz药物分析和检测等方面都显示了强大的功能和成效。最后，THz技术在国家安全、反恐方面的应用有着独特的优势；THz技术是新一代IT产业的基础，如图2，日本第三代太赫兹无线通信技术()已用于2008北京奥运会高清赛事转播。以及研究THz科学技术本身就是一门重要的学科。

随着技术的发展，应用可视光源检测的传统机器视觉检测技术无法解决工业自动化领域的一些特殊问题：例如，可视光无法穿透不透明的瓶子，就无法检测瓶子内部液体是否达到标准。此外，传统技术也面临着其他挑战，例如，无法直接测量封闭工件的内外直径，使用LED照明和相机传感器能够通过拍摄图像测量外直径，但无法测量内直径。而太赫兹传感器可以解决以上问题，因为太赫兹波可以穿透不透明材料，如布料、纸张、木头和塑料，这些物体的缺陷可以通过百亿赫兹波长可视化。通过太赫兹技术可以探测成像的特点，以及测量物质成分的特性，实现对多种物体的检测。 太赫兹波(THz)的电磁波光谱介于微波和红外波之间，波长范围为1mm-100mm，频率从300GHz~3THz之间。相对于X光能量，由于THz波由于光子能量极低，所以具有无创性和非电离性特点。 太赫兹系统有连续波和脉冲波两种模式，脉冲波系统通过发送一个频段的频率来获取材料信息，连续波系统只能通过单一频率获取信息。太赫兹系统通过应用一个发射器和单点探测器来获取被测物体表面的频率轮廓，通过移动这些单点探测器，进行二维线性扫描和三维阵列面扫描，从而获取被测物二维和三维的频率轮廓。 在自动化应用中的太赫兹系统中，被测物体通过传送带进入传感器的视场范围，太赫兹光波通过Vega控制盒的同轴电缆传送，一个光电机械延迟系统用于抓拍和处理接受到的高频率波形。信号被数字化后，通过以太网或其他船速协议传送到标准PLC控制器上。在测试时，时域波形可以用来表征产品的厚度，频率谱可以来识别所使用的聚合物的类型。 在测试不透明的塑料或橡胶产品瓶、管子的厚度时，运用非接触式和非创性的检测技术非常有必要。通过Vega提供的非接触式、非创性的太赫兹测量系统的测量精度可高达10um。具有能量低、对许多生物大分子表现出很强的吸收和谐振、能够以很小的衰减穿透物质、信噪比很高等特点，可以应用于国防、医疗、科研等诸多领域，具有巨大的市场价值。 在许多塑料分拣系统中，通过检测塑料材料反光的近红外电磁光谱即可进行材料分拣。近红外光技术仅仅在颜色较浅的塑料检测中有效，如果塑料薄片是黑色的，深色的或涂色的，近红外吸收和近红外分离是无效的，使用太赫兹的连续系统可以解决这些问题，通过太赫兹信号的幅度进行检测。 太赫兹的频率很高、波长很短，具有很高的时域频谱信噪比，且在浓烟、沙尘环境中传输损耗很少，可以穿透墙体对房屋内部进行扫描，是复杂战场环境下寻敌成像的理想技术。借助太赫兹特有的"穿墙术"，对"墙后"物体进行三维立体成像，探测隐蔽的武器、伪装人员和显示沙尘中的坦克、火炮等装备，进而拨开战场迷雾。 近年来，随着超快激光技术的迅速发展，太赫兹脉冲的激发光源得以更加稳定和可靠，为进一步研究太赫兹波谱技术创造了条件。同时，各种机制的太赫兹辐射源、探测器等技术研究也在飞速发展，为太赫兹技术在国防、航空航天、通信等领域的应用奠定了基础，使得太赫兹技术有着广阔的应用前景。