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<科普短文> 太赫茲技術照亮生活
發布人:  發布時間:2019-06-04   瀏覽次數:

 

太赫茲波(簡稱THz)是對一個特定波段電磁波的統稱,在電磁波譜中的位置介于毫米波和紅外之間。在電子學領域,這一波段的電磁波被稱為亞毫米波;在光譜學領域,它也被稱為遠紅外射線。一般所稱的太赫茲波段,是指頻率在0.1THz~10THz頻率范圍,在某些特定應用背景下特指0.3THz~3THz,有時更廣義的定義甚至到100THz,包括中、遠紅外波段。如圖1顯示了太赫茲波在電磁波譜中的位置。  

近年來太赫茲之所以引起人們極大的研究興趣,除了它是電磁波譜中研究相對滯后的一個波段,還因為它相對其他波段的電磁波具有一些獨特的性質:

(1)透視性。太赫茲對某些非金屬材料和非極性液體具有良好的穿透能力,因此可以用來對可見光頻段不透明的物體進行透視成像。作為X射線及超聲波檢測技術的重要補充,太赫茲波在人體安檢及工業無損探傷領域具有極其巨大的應用前景。此外,太赫茲輻射的波長要遠大于空氣中懸浮的灰塵和固體顆粒,在懸浮顆粒濃度較大的環境中的散射要遠小于可見光及紅外波段,可用于濃煙(如火宅救護)、霧霾或沙塵環境中的地面情報偵察。

(2)安全性。太赫茲另一個顯著特點就是對生物組織的安全性。1THz的電磁波所對應的單光子能量是4meV,只有X射線的百萬分之一,照射生物組織不會引起有害的電離反應。這一特性在對人體的安全檢查及對生物樣品的檢測等應用領域尤其重要。此外,由于水等極性分子對太赫茲具有較強的吸收,太赫茲對人體的穿透深度較淺,可以用來對人體皮膚癌和乳腺癌等皮膚病變的診斷和治療。

 

(3)光譜分辨特性。光譜分析是太赫茲重要的一個應用領域。太赫茲的頻譜較寬,單個太赫茲脈沖的頻譜可以覆蓋幾十個GHz到幾個THz。某些大分子,尤其是有機大分子的純轉動特征光譜就處在太赫茲波段。通過分析物質的特征吸收譜線,可以用于對毒品、炸藥及病毒等危險物品的檢測,也可以分析某些物質的化學成分。此外,自然界,尤其是外太空存在大量的太赫茲輻射,通過對這類太赫茲輻射的光譜進行分析,對研究宇宙的運動變化也具有非常重要的意義。  

4)寬帶特性。相對微波頻段,目前的太赫茲產生與探測技術普遍具有更寬的射頻帶寬。例如在微波頻段,普遍的射頻帶寬僅為幾百兆赫茲,而在太赫茲頻段以實現幾個GHz到幾十個GHz的射頻帶寬。太赫茲的寬帶特性使其在超高分辨率成像、超高速通信等領域相對微波頻段具有更加突出的技術優勢,在未來高分辨率成像探測、6G通信等領域具有巨大的應用潛力。

 

經過最近十幾年的發展,太赫茲技術已逐漸從基礎器件研發發展到了應用系統研發,開始從實驗室逐步走向軍用、民用等領域。以太赫茲成像、太赫茲光譜和太赫茲通信為代表的太赫茲技術應用在雷達成像探測、人體安檢、物質成分識別、高速保密通信等幾大領域的技術優勢已開始顯現。可以預見,在未來的幾年內,人們將能夠切實感受到太赫茲技術給人們生活帶來的巨大改變;“改變未來的十大科技之一”的太赫茲技術也將真正照亮人們的生活。

(作者:左志高)

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