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<科普短文> 太赫兹技术照亮生活
发布人:  发布时间:2019-06-04   浏览次数:

 

太赫兹波(简称THz)是对一个特定波段电磁波的统称,在电磁波谱中的位置介于毫米波和红外之间。在电子学领域,这一波段的电磁波被称为亚毫米波;在光谱学领域,它也被称为远红外射线。一般所称的太赫兹波段,是指频率在0.1THz~10THz频率范围,在某些特定应用背景下特指0.3THz~3THz,有时更广义的定义甚至到100THz,包括中、远红外波段。如图1显示了太赫兹波在电磁波谱中的位置。  

近年来太赫兹之所以引起人们极大的研究兴趣,除了它是电磁波谱中研究相对滞后的一个波段,还因为它相对其他波段的电磁波具有一些独特的性质:

(1)透视性。太赫兹对某些非金属材料和非极性液体具有良好的穿透能力,因此可以用来对可见光频段不透明的物体进行透视成像。作为X射线及超声波检测技术的重要补充,太赫兹波在人体安检及工业无损探伤领域具有极其巨大的应用前景。此外,太赫兹辐射的波长要远大于空气中悬浮的灰尘和固体颗粒,在悬浮颗粒浓度较大的环境中的散射要远小于可见光及红外波段,可用于浓烟(如火宅救护)、雾霾或沙尘环境中的地面情报侦察。

(2)安全性。太赫兹另一个显著特点就是对生物组织的安全性。1THz的电磁波所对应的单光子能量是4meV,只有X射线的百万分之一,照射生物组织不会引起有害的电离反应。这一特性在对人体的安全检查及对生物样品的检测等应用领域尤其重要。此外,由于水等极性分子对太赫兹具有较强的吸收,太赫兹对人体的穿透深度较浅,可以用来对人体皮肤癌和乳腺癌等皮肤病变的诊断和治疗。

 

(3)光谱分辨特性。光谱分析是太赫兹重要的一个应用领域。太赫兹的频谱较宽,单个太赫兹脉冲的频谱可以覆盖几十个GHz到几个THz。某些大分子,尤其是有机大分子的纯转动特征光谱就处在太赫兹波段。通过分析物质的特征吸收谱线,可以用于对毒品、炸药及病毒等危险物品的检测,也可以分析某些物质的化学成分。此外,自然界,尤其是外太空存在大量的太赫兹辐射,通过对这类太赫兹辐射的光谱进行分析,对研究宇宙的运动变化也具有非常重要的意义。  

4)宽带特性。相对微波频段,目前的太赫兹产生与探测技术普遍具有更宽的射频带宽。例如在微波频段,普遍的射频带宽仅为几百兆赫兹,而在太赫兹频段以实现几个GHz到几十个GHz的射频带宽。太赫兹的宽带特性使其在超高分辨率成像、超高速通信等领域相对微波频段具有更加突出的技术优势,在未来高分辨率成像探测、6G通信等领域具有巨大的应用潜力。

 

经过最近十几年的发展,太赫兹技术已逐渐从基础器件研发发展到了应用系统研发,开始从实验室逐步走向军用、民用等领域。以太赫兹成像、太赫兹光谱和太赫兹通信为代表的太赫兹技术应用在雷达成像探测、人体安检、物质成分识别、高速保密通信等几大领域的技术优势已开始显现。可以预见,在未来的几年内,人们将能够切实感受到太赫兹技术给人们生活带来的巨大改变;“改变未来的十大科技之一”的太赫兹技术也将真正照亮人们的生活。

(作者:左志高)


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