太赫兹驻波转能技术

2018-06-17 121
1、太赫兹技术
太赫兹波(THz)通常是指频率在0.1 THz - 10 THz (波长在30 μm - 3 mm)范围内的电磁波。由于缺乏有效的太赫兹波产生和探测方法,对于该波段电磁辐射的研究和探索也非常有限,以致于其被称为太赫兹空隙(THz gap)。
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图 1-1 给出了太赫兹波在电磁波谱中的位置,从图中可以明显的看出太赫兹波位于红外波和微波、毫米波之间的电磁辐射区域。在长波波段太赫兹波与毫米波相互交叠,而在短波波段太赫兹波又与红外波相交叠。从性质上来看,在低频方向的太赫兹波具有和电子相似的性质,而相反在高频方向的太赫兹波则具有和光子类似的性质。
由于太赫兹波在电磁波谱中的特殊位置,太赫兹波表现出了一系列不同于其它频段电磁波的特殊性质。与微波毫米波相比,太赫兹波具有频率高且波长短的特点,这就使得该波段的电子设备可以具有较大的通信带宽和较高的分辨率,并能够实现小型化与轻量化;而相对于光波而言,太赫兹波具有很小的单光子能量和极强的穿透性,能够用来对活体组织进行无损检测等。因此,太赫兹波可以广泛地应用于通信、医学、国防、环境以及军事等领域。
太赫兹波的独特性质主要表现在以下几个方面:
  1. 安全性:太赫兹波的单光子能量很低,频率为1 THz  的太赫兹波的单光子能量只相当于 X 射线光子能量的 1/106,因此不会使生物活体因为光电离而对身体造成极大的伤害。太赫兹波的这一特性对于车站和机场旅客身体以及行李的安全检查和对生物样品的检测等尤为重要。
(2)“指纹”特性:由于很多分子的转动和振动跃迁在太赫兹波段,因此它太赫兹波段具有强烈的吸收和色散特性,就像每个分子都具有自己独特的“指纹”一样。
(3)宽带性:宽带光学太赫兹脉冲只包含单个或极少数个周期的电磁振荡,可以用来分析很多物质的光谱性质。 
(4)透视性:绝大多数介电材料和非极性物质能够被太赫兹波穿透且对太赫兹的吸收很小。该特性决定了太赫兹波可以用在工业生产中进行质量控制和安全检查,还可以作为火灾或风尘环境中成像的理想光源。
(5)瞬态性:太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒量级且信噪比很高,因此太赫兹波在成像方面有极大的优势并且具有很好的稳定性。
  2、空气四波混频产生太赫兹波
Cook 和 Hochstrasser 首次利用四波混频的理论解释了空气四波混频产生太赫兹波的现象。当超短超强的飞秒激光与其相干的倍频光共线聚焦到气体(普通空气即可)时,气体电离并产生等离子体,在等离子体中通过三阶非线性效应的四波混频过程,产生强度高且方向性好的超快太赫兹波。
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                  图 2-1 空气中四波混频产生太赫兹波
   3、太赫兹驻波技术
研究表明,使用以水晶及玻璃为主要材料的光导器件,会对太赫兹波段强烈吸收,故将通过电子回路人工发射的强力非相干太赫兹波照射至物体上时,物体会发生变性,自身向周围物质放射出大量的太赫兹波,从普通物质到太赫兹放射体这一转变,可提升物体整体的品质,放大其本身的性质以及特征。最终体现出的结果是,能够改善食物口味、长时间保持鲜度、加快发酵和酿造速度。这样,使用经过太赫兹加工的水、土壤改良剂、肥料的植物,害虫数量骤减,收成产量增加。用于养殖水槽用水及空气的处理环节,可减少病害,促进生长。照射于液体化石燃料,可大幅度降低油耗。
由于很多生物体大分子的旋转及转动能级处于THZ波段,THZ在对于一些生物大分子无标志识别中有着十分重要的作用,将这一特性运用在对于癌变细胞的识别中,可以帮助患者及时发现和预防患病。同时THZ能量小,不会对物质产生破坏,同时又具有类似X射线的穿透力,运用在生物医学成像方面也非常安全、合适。THZ可以直接被物质内部的无机质、有机质、DNA的分子和原子吸收,使其活性化。通过对分子结晶构造的排列矫正和改变,可引起物体本身物性的变性。通过医学界对THZ的不断研究,证实了太赫兹波对于癌症,糖尿病胶原性疾病,肾脏透析、高血压、心脏病等疑难杂症有着“奇迹般”的治疗效果,不但能够使不健康的生物高分子返回到正常,而且还能够修复受损的DNA。