1、太赫茲介紹

太赫茲（THz）輻射通常指的是頻率在0．1THz一10THz（波長在30m～3mm）之間的電磁波，其波段在微波和紅外光之問，屬于遠(yuǎn)紅外波段．有著豐富的物理和化學(xué)信息。同時，THz輻射的優(yōu)點(diǎn)決定了它在很多方面可以成為傅立葉變換紅外光譜技術(shù)和x射線技術(shù)的互補(bǔ)技術(shù)，使THz電磁波在很多基礎(chǔ)研究領(lǐng)域、工業(yè)應(yīng)用及軍事應(yīng)用領(lǐng)域有相當(dāng)重要的應(yīng)用。隨著THz技術(shù)的發(fā)展，THz技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地拓寬，它在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、微電子學(xué)、農(nóng)業(yè)及其它領(lǐng)域也有很大的應(yīng)用潛力。目前，世界上許多研究機(jī)構(gòu)相繼開展了THz技術(shù)的深入研究，并且已取得了很多重要的進(jìn)展。

THz脈沖光源與傳統(tǒng)光源相比具有很多獨(dú)特的性質(zhì)：

（1）瞬態(tài)性：THz脈沖的典型脈寬在皮秒量級，不但可以方便地進(jìn)行時間分辨的研究。而且通過取樣測量技術(shù)，能夠有效地抑制背景輻射噪音的干擾。目前，輻射強(qiáng)度測量的信噪比可大于l0m。

（2）寬帶性：THz脈沖源通常只包含若干個周期的電磁振蕩，單個脈沖的頻帶可覆蓋從GHz至幾十THz的范圍。

（3）相干性：THz的相干性源于其產(chǎn)生機(jī)制，它是由相干電流驅(qū)動的偶極子振蕩產(chǎn)生．或是由相干的激光脈沖通過非線性光學(xué)差頻變換產(chǎn)生。

（4）低能性：THz光子的能量只有毫電子伏特，因此不容易破壞被檢測的物質(zhì)。

2、太赫茲與物質(zhì)的相互作用

1）基本原理

目前研究太赫茲和物質(zhì)相互作用一般采用里得伯原子模型（Rydbergatom），該模型中原子的電子具有很高的主量子數(shù)。

圖1所示為只有一個價電子的里德伯原子模型的示意圖。

圖1里德伯原子模型簡圖

里德伯原子模型采用波爾半徑經(jīng)典原子理論來　　描繪核外電子的運(yùn)動，認(rèn)為核外電子繞核運(yùn)動，其角動量是量子化的。電子只能在量子化的特定軌道上運(yùn)動，并且具有特定的量子化的能級。

相比于紅外和可見光，太赫茲的頻率很低．光子的能量也非常小。在里德伯原子模型中。如果主量子數(shù)n=lO0，電子離核的距離n2ao1m，對應(yīng)的偶極矩dR=nZeaol0D，這個尺度比常見的極性分子CO和HO大了好幾個數(shù)量級。此時的結(jié)合能En—lmeV，和太赫茲光子的能量相當(dāng)。所以太赫茲光子適合于和大的偶極矩和小結(jié)合能特征的里德伯原子相互作用。

2）太赫茲與水的相互作用

由于水對開展太赫茲光譜的使用具有特別重要的的影響，所以，需要盡可能地詳細(xì)研究水和太赫茲的相互作用圜。圖2所示為水和冰在不同溫度下太赫茲波段介電常數(shù)實(shí)部和虛部的譜分布。

圖2水和冰在不同溫度下太赫茲波段介電常數(shù)實(shí)部和虛部的譜分布

液態(tài)水的介電響應(yīng)是由若干物理過程決定的，最主要的過程是由兩種分子弛豫過程決定，一種是快弛豫過程（10fs弛豫時間），一種是慢弛豫過程（1Ops弛豫時間）。慢弛豫過程和轉(zhuǎn)動動力學(xué)有關(guān)，快弛豫過程目前還沒有研究清楚。另外水分子中強(qiáng)氫鍵相互作用也很明顯。分子中的伸縮在5．6THz處有共振響應(yīng)，并具有很寬的譜線寬度。

圖3室溫下，水的折射率譜和吸收系數(shù)譜

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如圖3所示．太赫茲波段水的吸收效應(yīng)非常明顯，并且，太赫茲對水的吸收還有一個很重要的特點(diǎn)，就是隨著溫度的變化，水的太赫茲吸收系數(shù)會有明顯的變化．其結(jié)果如圖4所示。

圖4溫度對水太赫茲吸收系數(shù)的影響

3、太赫茲光譜技術(shù)應(yīng)用

1）太赫茲光譜測量技術(shù)

在THz技術(shù)中．THz時域譜fTHz—TDS）是一種非常有效的測試手段。典型的THz時域譜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要是由超快脈沖激光器、THz發(fā)射元件、THz探測和時間延遲控制系統(tǒng)組成，如圖5所示。來自超快激光器的具有飛秒脈寬的激光脈沖串列被分為兩路。一路作為抽運(yùn)光，激發(fā)THz發(fā)射元件產(chǎn)生THz電磁波。THz發(fā)射元件可以是利用光整流效應(yīng)產(chǎn)生THz輻射的非線性光學(xué)晶體．也可以是利用光電導(dǎo)機(jī)制發(fā)射THz輻射的赫茲偶極天線。另一路作為探測光與THz脈沖匯合后共線通過THz探測元件。由于THz波的周期通常遠(yuǎn)大于探測光的脈寬，因此探測光脈沖通過的是一個被THz電場調(diào)制的接收元件。

圖5THz時域光譜測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

和THz脈沖的激發(fā)方式類似，檢測技術(shù)也分為兩種：

（1）使用電光（EO）晶體作為THz脈沖接收元件，這里利用了晶體的Pockels效應(yīng)，即THz電場對探測光脈沖的偏振狀態(tài)進(jìn)行調(diào)制：

（2）使用半導(dǎo)體光電導(dǎo)赫茲天線作為THz接收元件，利用探測光在半導(dǎo)體上產(chǎn)生的光電流與THz驅(qū)動電場成正比的特性，測量THz脈沖的瞬間電場。延遲裝置通過改變探測光與抽運(yùn)光間的光程差，使探測光在不同的時刻對THz脈沖的電場強(qiáng)度進(jìn)行取樣測量。最后獲得THz脈沖電場強(qiáng)度的時間波形。

對THz時間波形進(jìn)行傅里葉變換，就可以得到THz脈沖的頻譜。分別測量通過試樣前后f或直接從試樣激發(fā)的）THz脈沖波形．并對其頻譜進(jìn)行分析和處理，就可獲得被測樣品介電常數(shù)、吸收系數(shù)和載流子濃度等物理信息。

在傳統(tǒng)的THz時域譜測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加入對被測樣品的調(diào)制．就形成了THz時域差異譜技術(shù)。應(yīng)用此技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對微米乃至亞微米量級厚度的薄膜進(jìn)行介電常數(shù)的測量。THz時域光譜技術(shù)對材料的光學(xué)常數(shù)測量的精度可高于1％。由于許多大分子的振動能級或轉(zhuǎn)動能級間的間距正好處于THz的頻帶范圍．THz時域光譜技術(shù)在分析和研究大分子（質(zhì)量數(shù)大于100的分子）方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

2）太赫茲光譜分析技術(shù)

傳統(tǒng)上，爆炸物的光譜分析技術(shù)主要是拉曼光譜分析技術(shù)。拉曼光譜技術(shù)是一種基于拉曼散射效應(yīng)的光譜分析技術(shù)，可以根據(jù)分子的振動、轉(zhuǎn)動信息來識別未知化合物。與常規(guī)化學(xué)分析技術(shù)相比，拉曼光譜技術(shù)具有無損、快速、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)。

目前，軍用炸藥主要有以下幾種類型：

（1）TNT，2，4，6一三硝基甲苯，磷狀結(jié)晶片，淡黃色，分子式C7H5N3O6，既有強(qiáng)爆炸力（每英寸225萬鎊的爆炸力），又有高度靈活性（在185攝氏度下溶化，能澆鑄成任何形狀），有毒，在地雷等爆炸后會殘留在土壤中；

（2）DNT，2，4一二硝基甲苯，分子式C7H6N204，是軍用炸藥的主要成分，蒸汽壓力高于TNT。探測其蒸汽濃度可以發(fā)現(xiàn)隱藏的地雷或未爆炸的軍火：

（3）HMX，環(huán)四次甲基四硝胺，俗稱奧克托金，分子式C4H8N8O8，是生產(chǎn)RDX的副產(chǎn)品，由于爆炸速率極高而與TNT等混合作為形狀填料：

（4）RDX，環(huán)三次甲基三硝胺，俗稱黑索今或旋風(fēng)炸藥，分子式C3H6N6O6，通常用來與其他爆炸材料和可塑劑混合制成塑膠炸藥：

（5）HNIW（CL一20），六硝基六氮雜異伍茲烷（2，4，6，8，10，l2一六硝基；2，4，6，8，10，12一六氮雜四環(huán)十二烷），分子式C6H6N12012，是迄今為止能量水平最高的高能量密度化合物。

在實(shí)際應(yīng)用中，反射譜的應(yīng)用場景是主要的應(yīng)用場景，下列各圖分別是拉曼反射光譜和THz反射光譜的測量數(shù)據(jù)。