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太赫兹波的应用

2020-10-19 15:14:42 来源:

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[摘要]太赫兹波独特的性质赋予了THz波广泛的应用前景,使它在在基础研究、天体物理学、等离子体物理与工程、材料科学与工程、生物医学工程、环境科学工程、光谱与成像技术,乃至现代

太赫兹波独特的性质赋予了THz波广泛的应用前景,使它在在基础研究、天体物理学、等离子体物理与工程、材料科学与工程、生物医学工程、环境科学工程、光谱与成像技术,乃至现代通信技术等领域都展现出巨大的应用潜力。目前,国内外众多科研机构相继开展了THz技术的研究,在工业领域,已有数百公司参与或资助了太赫兹的研究工作,他们则是瞄准了太赫兹有“无损伤探测”的商业利用价值。国内外众多机构在THz技术应用领域的研究己取得了许多有价值的成果。HJz安检之家
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。HJz安检之家
THz时域光谱技术HJz安检之家
目前已经开始商业化运作,世界范围内已经有多家企业开始生产商用THz时域光谱仪,主要是中国,美国,欧洲和日本的厂家。THz时域光谱技术的基本原理是利用飞秒脉冲产生并探测时间分辨的THz电场,通过傅立叶变换获得被测物品的光谱信息,由于大分子的振动和转动能级大多在THz波段,而大分子,特别是生物和化学大分子是具有本身物性的物质集团,进而可以通过特征频率对物质结构、物性进行分析和鉴定。一个比较重要的应用可以作为药品质量监管。设想一下制药厂的流水线上安装一台THz时域光谱仪,从药厂出厂的每一片药都进行光谱测量,并与标准的药物进行光谱对比,合格的将进入下一个环节,否则在流水线上将劣质药片清除掉,避免不同药片或不同批次药片的品质差异,保证药品的品质。HJz安检之家
THz成像技术HJz安检之家
跟其他波段的成像技术一样,THz成像技术也是利用THz射线照射被测物,通过物品的透射或反射获得样品的信息,进而成像。THz成像技术可以分为脉冲和连续两种方式。前者具有THz时域光谱技术的特点。同时它可以对物质集团进行功能成像,获得物质内部的折射率分布。例如葵花籽可以和容易获得葵花子的内部信息。图3-4给出了葵花籽样品的实物照片和相应方法重构的THz透射图像,能清晰地分辨果壳的轮廓和隐藏在果壳中果仁的形状,这是最希望的。同样,如果样品是人的牙齿,那么牙齿的正常部分与损蛀部分将很容易的区分开,同时不必照射x射线,对人体没有附加伤害。HJz安检之家
安全检查HJz安检之家
利用安全检查应该说是现阶段最吸引人的THz技术,它的本质原理是THz成像,目前由于目前主要采用连续波THz源,而且又由于它要解决的是目前最受人关注的反恐、缉毒等最让人关注的问题,所以单列出来。目前英国发展的THz安检设备已经进入试用阶段。由于THz射线的穿透性和对金属材料的强反射特性,并且THz的高频率使得成像的分辨率更高,所以可以很容易看到隐藏在衣物、鞋内的刀具、枪械等物品。同时如果结合THz的物质鉴别特性,能够区分你身上是否携带炸药或毒品。首都师范大学THz实验室已经建立了常见的炸药和毒品的数据谱库,可以设想再过几年,可以真正在机场见到真正的THz安检的设备。另外,世界范围内引起社会动荡的自杀式炸弹恐怖袭击,也可以利用THz安检设备进行防范。因为站岗的可以不再是士兵或保安人员,而是THz安检仪,人们不需要靠近可疑分子就可以对其进行检查。HJz安检之家
THz雷达HJz安检之家
实际上也是成像的一种。鉴于大气中水分对THz射线的强吸收作用,所以近距离雷达是THz射线的优势所在。一个非常让人向往的应用是穿墙雷达和探雷雷达,当然也可以用于抗震救灾中遇难者的搜救,目前还处于研发阶段。这是由于墙壁,木材等材料对THz透过,而人体包含大量水分,不透过THz,因此可以透过墙壁侦查到屋内的人员的分布和活动,将反恐怖反绑架起到深远的影响,同理也可以用于废墟下人体的寻找。而探雷雷达是由于地雷一般在地表或地表附近,而干燥的泥土可以透过THz射线,而地雷将会把THz射线反射回来,从而可以发现目标。HJz安检之家
天文学HJz安检之家
在宇宙中,大量的物质在发出THz电磁波。炭(C)、水(H2O)、一氧化碳(CO)、氮(N2)、氧(O2)等大量的分子可以在THz频段进行探测。而这些物质在应用THz技术以前一部分根本无法探测而另一部分只能在海拔很高或者月球表面才可以探测到。HJz安检之家
通信技术HJz安检之家
THz用于通信可以获得10GB/s的无线传输速度,特别是卫星通信,由于在外太空,近似真空的状态下,不用考虑水分的影响,这比当前的超宽带技术快几百至一千多倍。这就使得THz通信可以以极高的带宽进行高保密卫星通信。虽然由于缺乏高效的THz发射天线和源,使其还无法在通信领域商业化,但这必将由新型的发射装置和发射源所解决。

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