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太赫兹光对决恐怖分子（二）创造神奇

离线im286

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0楼发表于: 2009-08-21 20:45:01

太赫兹辐射并不是我们想象中的无线电波或光波，它们也可以像无线电波一样由金属天线发射，但是它们会如同光线一般在镜面形成反射。通过硅质透镜，可聚集太赫兹辐射，并通过其电场电路进行感应。在电磁光谱范围内，太赫兹范围可以说是一块应用最少的领域，是真正意义上有待开发的处女地。和我们日益成熟的电磁波技术相比，太赫兹科技的应用仍有较大的差距。一方面是无线电波技术，通过天线的发射与接受，电子学技术在这方面已完全游刃有余。另一方面是光波，我们似乎已经很擅长通过镜面、透镜和光路对光波进行反射、扭曲和控制。
至于对太赫兹应用的开始和结束，在一定程度上取决于你更关注什么。我们更关注的是位于500吉赫兹（gigahertz）和10太赫兹（terahertz）之间的应用技术。原因如下，这一领域是纯粹无线波频技术所不能涉及的，例如微波电路,它需要的是对电子学和光学的技术整合。此外，许多值得关注的材料，如塑料炸弹等在这一领域具有各自鲜明的不同色彩。当然，大部分太赫兹辐射光都会被大气所吸收，能够产生太赫兹成像的技术相比其他成熟技术来说还有待发展，例如100 GHz附近范围技术，其基本技术成分已经拥有了近半个世纪的发展历史。
另外一些选择低频太赫兹技术的发展，如10 GHz范围，其光线波长范围以毫米计算。和较高频率的太赫兹辐射一样，毫米波可以穿透衣物，这一特性完全可以运用在机场或其他重要场所的安全检查扫描仪上。目前，许多公司如Millivision, Quinetiq, 和Safeview等等都已经对这类扫描仪进行了研发。其中由Millivision和Quinetiq公司所设计的扫描仪是根据人体所散发的不同体温差异从而产生不同毫米波辐射的原理制造的。他们发现藏在衣物之下的冰冷的武器同人体温暖的皮肤所产生的辐射量不同，由此可以发现藏匿的武器。
这些都称为被动成像，它们和太赫兹辐射一样也可以看穿许多材料，但是它们同太赫兹辐射不一样就是他们无法鉴别和区分材料的化学成分，而且被动成像仪的分辨率不及太赫兹成像，毕竟太赫兹成像辐射的波长更短，其成像的分辨率自然就更高。所以，普通的成像仪可以发现的是藏在衣物底下的一个黑影—可能是手机、小刀或一个炸弹，但是在毫米波成像仪上只能看到一个小黑点。
直到上个世纪末，科学家和工程人员才找到了如何真正进入太赫兹波段的途径，尽管这一途径十分新奇。其中最为神奇的方法同样也是功能最为强大的手段，这就是通过使用粒子加速器。粒子加速器效果明显，但是占地面积较大，通常需要1公顷左右，并且要耗费近千万美圆。而一些商用系统，例如由Picometrix 或TeraView公司所生产的太赫兹系统就十分经济和紧凑：它们使用飞秒激光脉冲或混合一对红外线激光束来辐射半导体，从而产生太赫兹辐射。科学家们也正在努力寻找其他充满希望的太赫兹辐射源，比如用液氦冷却的半导体激光等。
对于太赫兹成像技术，科学家们同样在不断改良。理想状态的太赫兹照相机应该就像一部数码相机一样—数百万如同像素般的探测器紧凑的排列在集成电路上。但是，目前大多数太赫兹探测器无法做到简单紧凑、价格便宜、敏锐感应，更无法实现如数码相机一样的整合。所以，一些研究人员突发奇想、另辟蹊径，干脆采用一个探测器或少数几个探测器。其中代表的理念就是太赫兹辐射相互干涉，将可见光转化成为数码相机可以识别的信号从而重建太赫兹图像。
但是在成像之前，辐射的产生则是第一步。在过去十多年里，研究人员尝试过许多产生太赫兹辐射的方法，但是各种方法皆不太如人意—要么太昂贵，要么太复杂，要么无法满足低温控制，要么太大，总之技术还不成熟。同步加速器，在巨型轨道上推进电子束以接近光速，的确是最佳方法，但是它体积巨大，要整栋楼房方可放置。另外一种方法，为了产生太赫兹辐射，同步加速器迫使高速运转的电子突然急转或扭曲穿过交叉磁场，从而产生大量太赫兹辐射。当然，这两种方法产生的辐射波长并不相同。尤其是第二种方法，迫使高速运转的电子突然扭曲穿过交叉磁场，是同步加速器的特殊部分，也被称作自由电子激光，在俄国Novosibirsk公司的新设备中已经有所使用。去年八月，俄国科学家的报告中就涉及到太赫兹激光产品可达到400 瓦的记录。
而刚才所谈的第一种方法，迫使高速运转的电子突然急转，则已运用在美国弗吉尼亚州Newport News市Jefferson实验室由Gwyn P. William和他的同事们从事的实验中。迫使高速运转的电子突然急速转向可产生太赫兹辐射宽频谱，而不是单一频率激光束。在几十瓦特的情况下，Jefferson实验室设备所产生的太赫兹辐射仍比其他辐射源更为强劲有力。事实上，它甚至可以穿透地面以探测地下所埋的地雷分布或进行远程炸弹探测等等。正因如此，美国军方所签署的“高级能源系统”（Advanced Energy Systems）协议，旨在设计一种紧凑、方便、便携式的电子加速器和太赫兹辐射发生器。这种便携式版本其设计类似自由电子激光器，但它可以生成比激光器更为广阔的太赫兹辐射频谱。
和美国Newport News的实验室与俄国Novosibirsk公司的巨型电子加速器相比，也有其他一些小型的太赫兹辐射源。它们的工作原理是将电子学和激光学结合，使辐射成为跨学科的新宠。
吉频率振动已经不足为奇—手机中便宜的集成电路就可以说明这一点。但是要构造每秒以太赫兹速度振荡万亿次的集成电路却是另当别论。就算是2006年本领域快速转换晶体管之冠—由伊里诺斯大学（University of Illinois）Milton Feng领导的工作组所创造的845 GHz—也对太赫兹范围望尘莫及。但是，最近几十年，科学家们已经可以生成每秒实现十万亿次激光脉冲。因此制造太赫兹辐射最常用的商业手段就是采用激光飞秒脉冲撞击集成电路。这样的太赫兹辐射生成器实际上是表面蚀刻有一对天线的感光性半导体。天线上的电压形成一个横穿半导体的电场。当激光脉冲撞击半导体便产生成对的电荷载体：电子和空穴。这些电荷载体加速穿过半导体和天线。针对飞秒脉冲，电流持续时间大约为1皮秒，大约即为1太赫兹辐射一个周期所需时间。
由此产生的太赫兹辐射脉冲比较微弱，平均能量大约为一微瓦，但其亮度足够产生图像。同时脉冲还有诸多其他作用。首先，如同雷达一样，计算脉冲反射回弹所需时间可以得出被测物体的形状范围。在处理多层太赫兹光图像时，物体的形状范围非常有用，比如在扫描一个行李箱时，情况就比较复杂，要核实内在的物体就需要层层观察。第二，脉冲可以让你采用光谱学进行鉴别，即通过鉴别物体反射光线波长的特质来确定物体特质。这是基于一个单个脉冲是由一宽行太赫兹频率组成。你只需要分析脉冲回声的形状来计算哪些频率被吸收然后再确定是何种物质产生了那种吸收模式。
当然，脉冲的问题就是它们在空气中极易被吸收和消失，尤其是在潮湿的空气里。在湿润空气中，只在几米之内，1-ps脉冲持续30皮秒，它所形成的图像分辨率就会减少，同样其光谱信号也会衰弱。值得庆幸的是，太赫兹频谱在某些频率传输窗口内并不容易被空气吸收。所以一个解决方案就是在一个或多个这样的频率上产生连续波。
研究人员已经在研制类似的连续波源，其形式和激光照射装有天线半导体表面的原理一致。不同的是它所采用的不是飞秒激光而是连续激光，其振幅位于太赫兹频率持续振荡。（见图）

太赫兹光扫描仪：采用太赫兹辐射技术以鉴别人体是否携带武器、毒品、爆炸物等，这一领域正在不断的向前发展。其中一项技术蕴涵有无限的潜力，即：通过鉴别图像空间频率并在电脑中再次实现重构。说明：Bryan Christie 设计
开始步骤为将两束红外激光聚焦于一个光学混频器上。两束已调激光的频率差与太赫兹传输窗之一的频率保持一致。由于光混频器融合了不同的激光，其结果产生的光线便处于太赫兹频率差振动。这种振动激光驱动了类似光电导天线结构，从而产生脉冲引起电流以太赫兹振动频率穿过结构，由此产生了许多微瓦的太赫兹光。
这一方法早在几十年前就已论证，但直到几年前TeraView公司图像研发先期工作的实践才将此技术应用于实验。技术的关键是一种新型的光混频器，由铟、镓、砷化物构成，并且能够有效地将波长易于光纤传输的激光加以混合。
引导激光进入光纤而不再需要将激光束与昂贵光学相提并论，大大地促使了太赫兹成像仪的简化，同时也极大地削减了它的成本。
这种光电技术效果较好，但是其亮度有限也比较麻烦。太赫兹研究人员所希望的能找到更为明亮、性能稳定、状态持续的太赫兹激光替代科技。当然他们的理想就是能使成像仪更小、更轻、更便宜，以用于大批量生产；这不仅仅是要求光源产生器更小、更亮，还要求它价廉物美、结构紧凑。但是，半导体激光波长很大程度上是由来其构成的自身材料来决定，没有任何天然材料会产生太赫兹光。
1994年由Bell实验室Federico Capasso等人所发明的量子级联激光则可能是解决这一问题的答案之一。和其他半导体激光不同的是，量子级联激光可以经调整而放射出任何范围的微米波长光，其中就包括太赫兹波长。其中的原因就是量子级联激光的波长是由其构成半导体层数的厚度来决定，而这完全是可以精心控制的数据。
其工作原理如下：激活的电子从某能级下降到更低能级时，激光发射光线。激光和普通光线发射器之间的重要区别是激活的电子总是比在低能量级的多。对于量子级联激光，局面完全可以确定，即：将跃迁电子从低级、非活动形态扫除到第三状态，但仍然在较低能级。对于量子级联激光，这些能级存在于被称为量子阱的三层中，每层的厚度是以毫微米来计。量子阱结构非常稀疏，从电子的角度来看，它们都是二维结构。受限于量子阱中的电子就如同原子般活动，其能量被限定于某个特殊水 ..

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