不同频率的电磁波及太赫兹的简介

不同频率的电磁波及太赫兹的简介

一．电磁波介绍

不同频率的电磁波电与磁可以说是一体两面，变化的电场会产生磁场（即电流会产生磁场），变化的磁场则会产生电场。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场[1]，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波，电磁的变动就如同微风轻拂水面产生水波一般，因此被称为电磁波，也常称为电波。电磁波能有效的传递能量和动量。电磁波是电磁场的一种运动形态。

从科学的角度来说，电磁波是能量的一种，凡是高于绝对零度的物体，都会释出电磁波。

当电磁波频率低时，主要藉由有形的导电体才能传递；当频率渐提高时，电磁波就会外溢到导体之外，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。举例来说，太阳与地球之间的距离非常遥远，但在户外时，我们仍然能感受到和煦阳光的光与热，这就好比是「电磁辐射即由辐射现象传递能量」的原理一样。 在高频电磁振荡的情况下，部分能量以辐射方式从空间传播出去所形成的电波与磁波的总称叫做“电磁波”。在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部返回原电路而没有能量辐射出去。然而，在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能全部返回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去。

电磁波为横波。电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变，其强度与距离的平方成反比，波本身带动能量，任何位臵之能量功率与振幅的平方成正比。其速度等于光速（每秒3×1010厘米）。光波就是电磁波。在空间传播的电磁波，距离最近的电场（磁场）强度

方向相同和量值最大两点之间的距离，就是电磁波的波长。

无线电波 3000米～0.3毫米。 红外线 0.3毫米～0.75微米 可见光 0.7微米～0.4微米。 紫外线 0.4微米～10毫微米 X射线 10毫微米～0.1毫微米 γ射线 0.1毫微米～0.001毫微米 宇宙射线 小于0.001毫微米

传真（电视）用的波长是3～6米；雷达用的波长更短，3米到几毫米。 电磁波在传播中携有能量，可以作为信息的载体。这就为无线电通信、广播、电视、遥感等技术开阔了道路。

电磁波的能量大小由坡印廷矢量决定，即S=E×H,其中s为坡印庭矢量，E为电场强度，H为磁场强度。E、H、S彼此垂直构成右手螺旋关系；即由S代表单位时间流过与之垂直的单位面积的电磁能。 电磁波具有能量，电磁波是一种物质。

二．太赫兹简介

1．简介

太赫兹电磁脉冲或称为THz波（太赫兹波）或称为T射线（太赫兹射线）是从上个世纪80年代中后期，才被正式命名的，在此以前科学家们将统称为远红外射线。太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长大概在0.03到3mm范围，这一波段的电磁辐射具有很强的透视能力，可以作为一种特殊的

“探针”用来对物质内部进行深入研究。

2．发展历程

实际上，早在一百年前，就有科学工作者涉及过这一波段。在1896年和1897年，Rubens和Nichols就涉及到这一波段，红外光谱到达9um（0.009mm）和20um（0.02mm），之后又有到达50um的记载。之后的近百年时间，远红外技术取得了许多成果，并且已经产业化。但是涉及太赫兹波段的研究结果和数据非常少，主要是受到有效太赫兹产生源和灵敏探测器的限制，因此这一波段也被称为THz间隙。随着80年代一系列新技术、新材料的发展，特别是超快技术的发展，使得获得宽带稳定的脉冲THz源成为一种准常规技术，THz技术得以迅速发展，并在实际范围内掀起一股THz研究热潮。

3．特点

太赫兹具有瞬态性、宽带性、相干性、低能性等独特性能，在宽带通信、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像、无损检测、安全检查等领域产生了深远的影响。由于太赫兹的频率很高，所以其空间分辨率也很高；又由于它的脉冲很短，所以具有很高的时间分辨率。太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术由此构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。同时，由于太赫兹能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以与X射线相比更具有优势。另外，由于生物大分子的振动和转动频率的共振频率均在太赫兹波段，因此太赫兹在粮食选种等农业和食品加工行业有着良好的应用前景。太赫兹的应用仍在不断的开发研究当中，其广阔的科学前景为世界所公认。

太赫兹波的具体特点有：（1）高透射性：太赫兹对许多介电材料和非极性物质具有良好的穿透性,可对不透明物体进行透视成像,是X射线成像和超声波成像技术的有效互补,可用于安检或质检过程中的无损检测。

（2）低能量性：太赫兹光子能量为4.1meV(毫电子伏特),只是X射线光子能量的108分之一。太赫兹辐射不会导致光致电离而破坏被检物质,非常适用于针对人体或其他生物样品的活体检查。进而能方便地提取样品的折射率和吸收系数等信息。

（3）吸水性：水对太赫兹辐射有极强的吸收性,因为肿瘤组织中水分含量与正常组织明显不同，所以可通过分析组织中的水分含量来确定肿瘤的位臵。

（4）瞬态性：太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒数量级，可以方便地对各种材料包括液体、气体、半导体、高温超导体、铁磁体等进行时间分辨光谱的研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰。

（5）相干性：太赫兹的相干性源于其相干产生机制。太赫兹相干测量技术能够直接测量电场的振幅和相位，从而方便地提取样品的折射率、吸收系数、消光系数、介电常数等光学参数。

（6）指纹光谱：太赫兹波段包含了丰富的物理和化学信息。大多数极性分子和生物大分子的振动和转能级跃迁都处在太赫兹波段,所以根据这些指纹谱,太赫兹光谱成像技术能够分辨物体的形貌,分析物体的物理化学性质,为缉毒、反恐、排爆等提供相关的理论依据和探测技术。

三．太赫兹在中国

近年来，太赫兹辐射(THz radiation)被广泛运用在诸多领域，所研究的问题涉及到如化学，物理，医学和材料科学等。与此同时，适合使用太赫兹辐射的实验设

备也得到广泛、快速的发展。在一些有远见的科学家，如陈津培，杜祥琬，刘盛纲，杨国桢，姚建铨，张杰，吴培亨等院士的倡导和推动下，我国已建立起了多个太赫兹研究中心(室)，促进了太赫兹技术的研究发展，并取得了重要的成果。 ，

中国太赫兹研究界近期的一些大事：

1近日太赫兹研发网获悉，根据四川省科技厅川科基[2010] 9号、10号文件精神，电子科技大学“太赫兹科学技术”实验室正式获批成为四川省重点实验室。

2中科院颁发文件，正式批复成立中国科学院太赫兹固态技术重点实验室。实验室的依托单位为中国科学院上海微系统与信息技术研究所。该重点实验室的成立，是加强我院太赫兹研究基地建设,促进太赫兹科学与技术研究快速、持续、稳定发展的一项重要举措。

3中国科学院微电子研究所微波器件与集成电路研究室（四室）刘洪刚研究员带领的研究团队在太赫兹核心器件研究方面取得进展。最新结果表明，InP基太赫兹晶体管的截止频率（FT）高于0.6 THz，最大振荡频率（FMAX）突破1 THz，其Johnson Limit（FT ′BVCEO）比硅基晶体管提高了5倍以上.

五．总结与展望

THz科学技术作为一门前沿的新兴交叉学科，对其他科学如物理、化学、天文学、生物医学、材料科学、环境科学等均有重大的影响，相关应用需求迫切，发展迅猛。在当今基础研究、开发研究和产业化发展几乎同步进行的相互融合、相互促进的科技快速发展时代，我们要有高度的紧迫感和责任感，努力推动我国乃至世界THz科学技术及其应用更进一步的发展。

121180090 孙健