太赫兹波

什么是太赫兹波？

太赫兹波也称为T波，是电磁波谱中位于微波和红外线之间的电磁波。太赫兹辐射通常被理解为频率范围从大约 0.1THz 到 10THz 的电磁辐射，对应于真空中从 3mm 到 30μm 的波长。这样的频率高于无线电波和微波的频率，但低于红外光的频率。由于波长在0.03mm到3mm的范围内，并且通常低于1mm，因此太赫兹辐射有时也称为亚毫米辐射。此外，太赫兹区域的高频部分也可以称为远红外线。

这部分无线电频谱具有独特的特性和特性，它们可以穿透塑料、织物、纸张和纸板等材料，看到内部。有许多材料可以通过吸收特征来研究其特性的。利用这种性质，我们可以实现许多生物分子、蛋白质、炸药、麻醉剂的“指纹”检测……

太赫兹的前世今生

太赫兹技术自20世纪初就为人所知，但由于缺乏有效生成和检测这些波的物质手段，直到30年前太赫兹技术才可能应用。

长期以来，太赫兹辐射很少用于科学技术，主要是因为没有好的太赫兹源或合适的探测器可用；这个光谱范围通常被称为太赫兹鸿沟(gap)。而随发展这种情况逐渐改变，直到 1990 年代研究人员对太赫兹波的兴趣日益浓厚，越来越多地开始涉足该领域。

该领域的快速发展很大程度上归功于光子学的进步，光子学为太赫兹波的产生和检测以及调制太赫兹信号创造了多种解决方案。这些进步增强了太赫兹技术在各个领域的新努力的动力，快速增加的技术选择也开辟了广阔的应用领域。

目前，世界上只有少数几家公司专门生产太赫兹光谱仪，主要用于科学研究。虹科伙伴 das-Nano 通过应用太赫兹技术超越并提出解决工业问题的方法。

太赫兹于电磁波谱的定位

电磁波谱的范围从较短波长的辐射（较高频率），例如伽马射线和 X 射线，到紫外线辐射、可见光和红外线辐射，到较长波长的电磁波（较低频率），例如无线电波。

在过去的几个世纪里，对不同频率或波长的电磁波的研究和控制使重要的技术进步得以发展。其中一些进展迅速，快速扎根，以至于我们几乎不记得此前的一些生活方式。一个明显的例子是使用微波进行无线通信，这使得手机、WIFI网络等的运行成为可能。

然而，但在整个电磁频谱中仍有一个波段几乎未被探，而且又具有优异特性：太赫兹波段。频率约为 10^12Hz 的电磁波被称为T波或T射线。在太赫兹范围内使用电磁波谱称为太赫兹光谱。

太赫兹波也具有改变当今技术状态的巨大潜力，就像过去的X射线、红外线或微波一样。

太赫兹光谱如何应用？

为了从材料中提取信息，我们发射一束太赫兹波撞击材料表面。光束穿过材料，与每一层界面相互作用。反射或透射光束由检测器收集，从中提取有关每层电特性和厚度的信息。也可以从金属表面进行参考测量以与样品测量进行比较。

利用太赫兹光谱可以得到的数据：

√电导率
√电阻率
√电荷载流子迁移率
√电荷载流子密度
√折射率
√层厚
………..

太赫兹系统有哪几种类型？

两种太赫兹系统

被动式系统：仅由太赫兹接收器组成，源端则为需要观察的元素或样品。它们紧凑且成本低，但缺乏鲁棒性和可靠性。

主动式系统：需要一个外部太赫兹源来照亮待检元素或样品，并需要一个接收器来检测与样品相互作用后的太赫兹波。

元素或样品与太赫兹波的相互作用将影响太赫兹波，并且这种变化将用于从样品中提取信息。 从逻辑上讲，这些系统将比无源系统更健壮和可靠，但代价是增加了成本和尺寸。实施这些主动系统的最成熟技术之一是使用光电导天线 (PC Antenna) 作为发生器和接收器的技术。在这些系统中，持续时间非常短（飞秒）的激光脉冲以恒定电压撞击极化天线，由此产生太赫兹脉冲。多年来，根据工作带宽和天线辐射方向图所需的性能，已经出现了天线的替代设计。为了增加辐射脉冲的功率，不同的解决方案也被开发出来，例如使用大孔径发射器，称为大孔径光电导发射器。

太赫兹波有哪些特性？

太赫兹波的特性使其非常适合无损检测应用

提供毫米以下的高空间分辨率，可达到微米级
可穿过大多数介电材料(非极性物质)，穿透厘米级。这种情况下，太赫兹波可以“看到”材料内部：塑料、药品、纸张、纸板、陶瓷、木材、绝缘体、复合材料、纺织品、油漆等。由此可实现检测不同物体内部缺陷如气泡，腐蚀等，以及确定它们的厚度
除了薄膜和块状材料之外，还可获取有关2D材料（例如石墨烯）的电学特性
低能量、非电离波，对人体与生物组织无害
测量快速（不到1秒）且准确（高达1微米精度），并允许同时获取多涂层中每一层的信息

限制

太赫兹波会被金属强烈反射，被水吸收；用于通信需要考虑长距离衰减；用于金属相关NDT需要明确表征对象。

太赫兹光谱国际标准

IEC TS 62607-6-10:2021 纳米制造 – 关键控制特性 – 第 6-10 部分：基于石墨烯的材料 – 薄层电阻：太赫兹时域光谱。
DIN 50996:2020-05 非导电涂层——涂层厚度的无损测量——太赫兹测量方法（德语）。
VDI/VDE 5590 Blatt 1:2018-03 太赫兹系统 – 术语和定义（德语和英语）。
VDI/VDE 5590 Blatt 2:2022-01 太赫兹系统 – 时域光谱 (TDS) 系统（德语和英语）。

太赫兹特性整合

它们的显着特点是能够穿透大多数介电材料（如塑料、陶瓷、药物、绝缘材料、纺织品或木材），这为无损检测 (NDT) 开辟了无限可能。同时，许多材料在太赫兹频率下表现出可识别的频率指纹，可以进行材料识别和量化。将太赫兹的这两个特性相结合，我们便引入了一种新的方式来打破以前的限制。太赫兹光子能量低，不会引起电离，完全安全，不会破坏被检物质。

在当前的科技和工业时代，汽车、风能、航空和海洋领域的公司都在不断寻求将新技术和智能系统融入到他们的生产线中，通过降低成本和生产时间来提高生产力。