太赫兹的应用与挑战

20世纪90年代，致力于微波的研究者努力把光源波长变短，但做到太赫兹的边缘以后，整个源的产生效率越来越低，因此停滞不前。而做红外波段的研究者则不断地让产生的光源波长变长，但做到太赫兹波段时也遇到了相应的困难。所以当时很长时间没有人研究太赫兹波段，电磁频谱上产生了很大的空隙，被称为太赫兹空隙。

1）太赫兹波段的优势

第一，在太赫兹波段可以进行相干探测，由傅里叶变换得到太赫兹的振幅和相位信息。太赫兹可通过实验室里的飞秒脉冲激光器去泵浦半导体或光开关来产生，经过待测样品之后，太赫兹的振幅和相位信息会改变，然后利用电光采样的方法可得到太赫兹相干信号。之后用示波器去看电压的时域波形，它是电场，有正负值，因此经过傅里叶变换后，就可以得到太赫兹信号在每个频率上的振幅和相位。此时相位信息可通过相干探测得到，比强度探测的信息量更丰富。

第二，太赫兹具有穿透性。许多介电材料和非极性物质对太赫兹都是不吸收的，如木材、纸张、布料等，太赫兹都可以很好地穿透它们。因此太赫兹可应用到安检或者质检分析中。

第三，太赫兹有非常低的光子能量。太赫兹光子对应的能量是4.3 meV（毫电子伏特），而X射线的光子能量约为千电子伏特，所以X射线很容易引起组织当中细胞的电离，对人体是有害的，太赫兹就不会对细胞等产生危害。2018年，成都机场装了名为“弱光子”的安检仪，实际上它是X射线安检仪，长期使用将危害人的身体健康，这引起了社会很大的反响，于是立马被撤了下来。但对于太赫兹来讲，它的光子能量比较低，对人体是安全的。因此可以用太赫兹去做人体或者动物活体的检测。

第四，很多生物的大分子以及一些毒品、爆炸物的成分的指纹谱，即所谓的特征谱都是落在太赫兹波段的，所以我们可以利用太赫兹的光谱去识别这些物质。

第五，利用光学的方法产生的太赫兹是宽谱的。在实验室里用脉冲宽度为120 fs的光纤飞秒脉冲激光器去泵浦一个光电导天线，产生太赫兹的谱宽一般从0.2 THz到2.6 THz甚至到3 THz。可以发现，产生信号的谱宽比它本身泵浦的谱宽还要宽，这样，谱越宽，可以包含的信息就越多，而现在用空气等离子的产生方法，可以做到50 THz，最高的结果是德国康斯坦茨大学做到了80 THz的宽谱。这样可以包含更多的频谱去做物质的识别，识别的精细度就会得到很大的提高。(www.xing528.com)

第六，太赫兹还可以做无线通信。现在的第五代无线通信已经进入了30～40 GHz，如果想无限接近覆盖整个带宽，或者增加传输速度、信息容量的话，就需要把载波从30～40 GHz提高到近100GHz，即进入太赫兹波段。如果是宽带的，进行通信的时候，就可以建立更多的通道。

2）太赫兹波段存在的问题

第一，利用太赫兹连续波成像时有一个很大的缺陷，就是没有相位信息，也没有光谱信息，这样前文提到的太赫兹最大的两个优势就没有了。

第二，利用太赫兹进行相干层析的时候需要三维的扫描，即物体的二维空间扫描和时间维度的扫描。整体来讲，这是一种比较费时的测量方式。

第三，对太赫兹进行波前调控的传统光学元件的尺寸较大，限制了其现场装配调试的运用。