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比激光和紅外遙感更有價值 探秘太赫茲檢測技術(shù)

[2016/9/20]

    太赫茲技術(shù)在2004年首次被美國提出，并且被列為“改變未來世界的十大技術(shù)”之一，一時間，全球?qū)W術(shù)界的專家將目光投向了這一名不見經(jīng)傳的技術(shù)，F(xiàn)在，十年過去了，業(yè)界對太赫茲的認(rèn)知逐漸加深，不少專家更加確信太赫茲將顛覆未來絕大多數(shù)行業(yè)，甚至還有人認(rèn)為太赫茲將是6G或者7G通信的基礎(chǔ)...

　　

　　然而，無論是對學(xué)術(shù)界還是產(chǎn)業(yè)界而言，太赫茲依然還是電磁波譜里面最神秘的存在。那么太赫茲到底有何魅力能讓其吸引全球技術(shù)專家的關(guān)注？又是什么阻礙研究人員進(jìn)一步對太赫茲進(jìn)行探索？帶著這些問題，有關(guān)方面在日前舉行的激光研討會上采訪了中科院院士姚建銓。

　　

　　太赫茲能顛覆哪些行業(yè)？

　　

　　在電磁波頻譜上，太赫茲波的波長在3μm到1000μm之間，頻率為0.1-10THz（類似硬盤容量單位1TB、2TB..），是介于微波與紅外線之間的電磁波。

　　

　　姚建銓表示，太赫茲和電磁波頻譜中其它波段不一樣，它幾乎兼具通信、雷達(dá)和遙感測距等所有功能，而且每項(xiàng)應(yīng)用的表現(xiàn)都比現(xiàn)有技術(shù)占優(yōu)。

　　

　　通信

　　

　　從上圖中可以看出，太赫茲波介于無線電波和光學(xué)波之間，這在一定程度上賦予了它和其余電磁波不同的特性——兼具微波通信以及光波通信的優(yōu)點(diǎn)，即傳輸速率高、容量大、方向性強(qiáng)、安全性高及穿透性強(qiáng)等。

　　

　　理論來講，在通信領(lǐng)域里，頻率越高通信容量就越大。太赫茲波的頻率比目前使用的微波要高1～4個數(shù)量級，它能提供10Gbit/s以上的無線傳輸速率，這是微波無法達(dá)到的高度。因此，它能解決信息傳輸受制于帶寬的問題，也能滿足用戶對帶寬的需求。

　　

　　雷達(dá)

　　

　　因?yàn)樘掌澋牟ㄩL很短，大約在30um—3mm的范圍內(nèi)，遠(yuǎn)小于微波與毫米波的波長，能達(dá)到更高的精度，而且穿透力遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于激光雷達(dá)。

　　

　　另外，雷達(dá)是靠接收物體的反射信號來進(jìn)行探測的，所以一旦物體表面對雷達(dá)波進(jìn)行吸收或者散射，雷達(dá)就探測不到該物體。不過，上文已經(jīng)提到太赫茲擁有非常寬的帶寬，所以它能更有效地監(jiān)測到更多的物體，未來或許可以用于無人駕駛汽車等領(lǐng)域。

　　

　　總的來說，太赫茲雷達(dá)具有高分辨率、強(qiáng)穿透力和強(qiáng)抗干擾能力等特點(diǎn)。

　　

　　安檢成像

　　

　　目前，在火車站、機(jī)場等公共場所進(jìn)行安檢通常要進(jìn)行兩步，先通過金屬安檢門（大多還是基于X射線），隨后全身被工作人員用手持式金屬探測器掃了個遍。這種方案有兩大缺點(diǎn)，搜身讓用戶很尷尬，另外X射線的輻射會對人體造成影響。

　　

　　“太赫茲釋放的能量很小，不會在人體產(chǎn)生有害的光致電離，所以，相比X射線，太赫茲是一種更安全的安檢技術(shù)。”

　　

　　姚建銓如是說。

　　

　　除此之外，因?yàn)樘掌澋拇┩改芰軓?qiáng)，它不僅能探測到金屬，人體攜帶的非金屬、膠體、粉末、陶瓷、液體等危險物品都能被系統(tǒng)識別，安檢的效率也大大提升了。目前太赫茲人體安檢儀器已經(jīng)在國內(nèi)外投入使用了。

　　

　　生物醫(yī)療診斷

　　

　　姚建銓表示，太赫茲的頻段能夠直接探測到生物分子的信息，這是其他電磁波段無法無法比擬的。

　　

　　太赫茲波很容易被水分子或氧氣分子等極性物質(zhì)吸收（這也是太赫茲的一大缺點(diǎn)），由于不同的分子具有不同的吸收頻譜線，我們可以利用這些譜線以及太赫茲波成像技術(shù)來診斷一些重大疾病。不久前，中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院太赫茲技術(shù)研究中心就表示太赫茲波能直接“看到”DNA、蛋白質(zhì)等生物大分子，這就意味著，我們完全可以太赫茲技術(shù)來診斷癌細(xì)胞。

　　

　　研究太赫茲難在哪？

　　

　　不過遺憾的是，國內(nèi)外對太赫茲研究的十幾年里并沒有取得大的突破，太赫茲才剛剛從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)品化的階段，到目前我們幾乎只能在部分安檢設(shè)備上看到太赫茲的影子，大規(guī)模商用似乎遙不可及。毫不夸張的說，人類對太赫茲的認(rèn)知甚至還不如人工智能。

　　

　　姚建銓表示，技術(shù)不成熟是太赫茲無法大面積使用的根本原因，在這一頻段上，既不完全適合用光學(xué)理論來處理，也不完全適合微波的理論來研究；第二點(diǎn)就是，太赫茲測試與測量儀器設(shè)備也因?yàn)榧夹g(shù)門檻過高而導(dǎo)致發(fā)展停滯不前。

　　

　　“制造一個相關(guān)設(shè)備需要巨大的資金，而且僅憑現(xiàn)有的技術(shù)，產(chǎn)品的效率和體積都無法滿足大量場景的需求！彼a(bǔ)充道。因?yàn)，頻率越高，波長越短，對器件的工藝要求也就越高，至少國內(nèi)現(xiàn)在還無法造出高質(zhì)量的產(chǎn)品。

　　

　　以目前的研究水平，微波和激光的成本和效率都比要優(yōu)于太赫茲雷達(dá)，但在未來的十年或二十年里，太赫茲終將會成為最核心的技術(shù)。

（來源：雷鋒網(wǎng)）