了解太赫兹频段、其特性及其应用
太赫兹光谱
太赫兹 (THz) 辐射通常定义为 100 GHz (3 mm) 至 10 THz (30 μm) 范围内的电磁频谱区域，介于毫米频率和红外频率之间。太赫兹频段有多个名称，例如亚毫米波、远红外和近毫米波。
在 1 THz 时，辐射信号具有以下特性：
波长： 自由空间中 300 μm
周期： 1 ps，
光子能量： 4.14 meV
此外，hf/k B = 48 K 温度，其中h 是普朗克常数(6.62607004 × 10 -34 Js)，f 是频率，k B是玻尔兹曼常数(1.380649×10 -23 J/K)。
电磁波谱中的太赫兹波段如图1所示。
图1太赫兹波段在电磁波谱中的位置示意图
与邻近区域（即微波和光学波段）相比，这部分电磁频谱是研究少的区域。
这就是为什么使用“太赫兹间隙”一词来解释该频段与发达的相邻光谱区域相比的初级阶段。这使得来自不同学科（例如物理学、材料科学、电子学、光学和化学）的研究人员开始研究太赫兹波的各种未探索或较少探索的方面。
太赫兹波的特性
尽管人们对太赫兹区域的兴趣可以追溯到 20 年代，但仅在过去三十年里才对该区域进行了广泛的研究。这样做的一个关键动机是太赫兹频率范围内卓越的波特性和广泛的可能应用。
太赫兹波具有夹在其间的两个频带的中间特征。
这些属性可以总结如下：
穿透力：太赫兹辐射的波长比红外波长长；因此，与红外波（微米范围内）相比，太赫兹波具有更少的散射和更好的穿透深度（厘米范围内）。因此，干燥的非金属材料在此范围内是透明的，但在可见光谱中是不透明的。
分辨率：与微波相比，太赫兹波的波长更短；这提供了更好的空间成像分辨率。
安全性：太赫兹波段的光子能量远低于 X 射线。因此，太赫兹辐射是非电离的。
光谱指纹：许多分子的振动模式和振动模式位于太赫兹范围内。
开发太赫兹频段的挑战
尽管太赫兹频段具有一些令人着迷的特性，但太赫兹技术还面临一些特定的挑战。与邻近频段相比，太赫兹领域尚未发展的主要原因是缺乏高效、相干且紧凑的太赫兹源和探测器。
源的这些特性可以在常见的微波频率源（例如晶体管或 RF/MW 天线）以及在可见光和红外范围内工作的设备（例如半导体激光二极管）中找到。然而，在不显着降低功率和效率的情况下，不可能采用这些技术在太赫兹区域运行。
在太赫兹频率范围的下端，通常采用固态电子器件；然而，由于反应电阻效应和较长的传输时间，此类器件具有 1/f 2的滚降。另一方面，由于缺乏带隙能量足够小的材料，二极管激光器等光学器件在太赫兹范围限制下表现不佳。
太赫兹频段的另一个挑战是高损耗。太赫兹波在大气情况和潮湿环境中具有高吸收性。整个电磁频谱的大气衰减如图 2 所示。
图 2.不同大气情况下海平面的衰减：降雨 = 4 毫米/小时；雾= 100 m 能见度；STD = 7.5 g/m 3水蒸气；2×STD = 15 g/m 3水蒸气。图片来自MC Kemp，来自 IEEE Xplore
很明显，太赫兹范围内的信号衰减比微波和红外频段要严重得多。部分原因是水分子在这个范围内共振。
太赫兹波的不利大气特性使其成为以下两种情况的合适工作频率区域：
航空航天： 在太空中，环境接近真空，因此水滴导致的信号吸收和衰减不成问题。此外，星际尘埃的光谱特征位于太赫兹区域。因此，太赫兹技术在射电天文学中得到了广泛的应用，例如欧洲航天局发射的赫歇尔空间天文台。
短距离： 对于短距离应用，大气衰减可以忽略不计，特别是吸收率高的频率。这使得更容易去除/识别这些窄线的影响。因此，太赫兹技术是物理和化学等各个学科基础研究的非常丰富的工具。此外，它对于高数据速率的短距离无线通信来说也是一个有吸引力的选择。
太赫兹辐射的应用
太赫兹辐射可用于许多潜在应用，包括太赫兹成像、光谱学和无线通信。
生物医学成像是太赫兹成像的子类别之一。太赫兹波可以穿透人体组织达数百微米；因此太赫兹医学成像可应用于体表诊断，例如皮肤癌、口腔癌、乳腺癌检测以及牙科成像。此外，太赫兹系统在安全应用、固体爆炸材料检测和邮件筛查方面也具有潜在的市场。但并非不重要的一点是，太赫兹成像是半导体封装检查的一种便捷方法。
太赫兹光谱是一种非常强大的技术，可以表征材料特性并了解其在该频段的特征。太赫兹光谱增强了对有机分子的许多单晶、微晶和粉末样品的吸收特征的理解。
图3显示了识别麦芽糖分子振动模式的测量结果样本。
图 3.太赫兹时域光谱系统中测量的麦芽糖振动光谱，上图显示了在没有麦芽糖样品的情况下测量的太赫兹信号。下图中的箭头显示麦芽糖分子的振动频率。插图显示了麦芽糖的分子结构。图片来自 YC Shen 等人，来自《应用物理快报》。
太赫兹光谱在生物化学科学中具有应用，例如DNA 特征和蛋白质结构分析。生产过程的在线控制是太赫兹光谱的另一个潜在应用，它可以提供非接触式实时测量。由于太赫兹频率的吸水率较高，因此可以积极地操纵太赫兹光谱来区分水合物质和干燥物质。例如，在造纸行业，制造商已使用太赫兹光谱来监测纸张的厚度和水分含量。
在一些应用中，例如无损检测，同时采用太赫兹成像和光谱学。例如，在艺术史调查中，太赫兹成像和光谱学有助于对古物进行成像，揭示艺术品不同层的厚度并显示材料类型。
太赫兹成像提供了绘画底层的信息，其细节程度达到了数十微米的突破性水平。
此外，太赫兹成像和光谱学是用于检查药物固体剂型、片剂包衣和活性药物成分的两种强大的定量和定性非侵入性方法。例如，图5显示了在太赫兹区域的包衣过程中，相同包衣时间的八片药片的包衣层厚度的片间变化。
图 5. 每个片剂的平均包衣厚度与包衣时间的关系，插图显示了 8 个片剂的包衣厚度图 (μm)，包衣时间相同为 120 分钟。片剂与片剂之间的包衣厚度差异较大是显而易见的。
