太赫兹科学技术的新发展（二）

三、太赫兹的重要战略意义

——重大科技项目，国家重大目标

经过近十几年来的研究，国际科技界公认，THz科学技术是一个非常重要的交叉前沿领域。由于THz的频率很高（波长比微波小1000陪以上），所以其空间分辨率很高。又由于脉冲很短（飞秒），THz辐射具有很高的时间分辨率。THz成像技术及THz波谱技术就构成了THz应用的两个主要关键技术。另一方面，THz的能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以与X射线相比，它又有很大的优势。

Yale大学 C．A．Schmutenmaer教授在今年IRMMW—THz国际会议上做大会特邀报告，题目为“Learning Chemistry and Physics to Terahertz（利用THz重新学习化学和物理学)”。可见，国际科技界对THz的重视。

国际科技界对THz辐射有以下几点认识：

l、THz辐射是一种新的、有很多独特优点的辐射源。
2、THz技术为科学技术的创新、国民经济发展和国家安全等方面提供了一个非常诱人的机遇。

因此，积极开展THz科学技术的研究工作对我国具有重要的战略意义。

A．科学研究的新的强有力的新方法

（1）THz成像和THz波谱学在物理学、化学、生物医学、天文学、材料科学和环境科学等方面有着极其重要的应用。

（2）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研究，提供关于物质的化学及生物成分、波谱特性、THz标记、量子互作用过程等重要信息。
例如：利用THz很高的时域分辨率研究CdSe光导量子过渡现象，研究Ti0₂纳米晶格中载流子的输运过程，以及研究调控原子／分子的无辐射量子跃迁等方面均取得了重要的新成果。THz量子光学及量子计算机应用及强磁场下半导体的THz辐射等方面都作出了很突出的成就。
利用强功率THz辐射可激发起物质内部原子及分子的非线性动力学过程，从而利用大功率超短脉冲THz可以在分子水平上研究物质的非线性特性。

（3）THz在等离子体检测方面也有重要的优势。利用THz辐射可以探测出高温、高密度等离子体中密度的空间分布。THz在天文学研究上的应用显得很突出，科学家们在南极建立了一个移动天文站，利用THz望远镜观察到很多重要的新星体，对于研究宇宙的起源和星体的形成有重要的意义(值得一提的是我国在2005年初，也在南极建立了一个研究站)。

因此，国际科技界认为，THz辐射可能引发科学技术的革命性发展。

B．THz技术对国民经济发展将起着重要的推动作用

（1）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的医学应用，THz断层成像，THz生物化学应用，药物的分析和检测等方面都显示了其强大的功能和成效。
基于对蛋白质及基因特性等的研究，可建立起THz生物分子诊断技术。
从而极大推动分子生物学的发展，并在医疗及药品的研制鉴定方面有很大的应用前景。

（2）由于生物大分子的振动和转动频率均在THz波段，而THz辐射技术又可提取DNA的重要信息，因此，THz在植物，特别是粮食选种，优良菌种的选择等方面可以起重要的作用。总之太赫兹科学技术对农业、食品加工等行业有重要意义。
THz在生物医学上有广泛的应用前景，下图表示在THz对皮肤癌的诊断和应用。

（3）THz辐射可以穿透烟雾，又可检测出有毒或有害分子，所以在环境监测和保护方面可以发挥重要作用。据报道，THz环境监控设备（利用CO₂激光作为泵源产生的2.5THz)已安装在美国卫星上。

C．THz在国家安全、反恐方面的应用有着独特的优势

（1）利用THz可以穿透物质的特性，英国首先研制了THz摄像机并且已在机场安全检查方面进行试用，效果很好。特别重要的是美国橡树岭国家实验室（ORNL）和田纳西大学合作，开展“穿墙计划（Through wall Program）”，利用THz成像技术从外部获得墙内信息。显然，这项穿墙技术在国家安全方面有很重要的价值。
此外，利用THz波谱可以快速、有效的检查和识别毒品，美国已开展用THz谱技术检查邮件等项目，包括THz化学和生物制品的检测。

（2）THz在雷达和通信等方面的应用也有很大的潜力。THz在太空通信方面的巨大优势是没有疑问的。THz的大气窗口也已研究过(图6所示)。THz雷达在反隐身方面有特殊的功能。下面的报告中会谈到大功率THz辐射源的问题，这方面的研究工作是为THz雷达等做准备的。THz卫星太空成像和通信技术可能是今后大国关注的重要领域。

（3）THz应用于航天飞机可能故障的探测
哥伦比亚号航天飞机失事之后不久，根据航天飞机发射时拍摄的录像资料，提出了对失事原因的分析。美国一个实验室已进行了实验。所采用的THz脉冲中心频率为lTHz，频带宽度为3THz。经过多次实验，尤其是最近的对PAL～Ramp SOFI绝热泡沫层的成功探测，充分证明THz脉冲的确可以对航天飞机进行有效的无损探伤。我国太空发展计划肯定会需要这样的技术。