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太赫兹应用技术发展现状

2020-10-22 16:24:37 来源:

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[摘要] 太赫兹应用技术的研究方向主要包括频谱应用、成像应用、通信应用,这些应用在国防安全领域也有潜在应用价值。(一)太赫兹频谱应用1. 时域频谱测量 太赫兹时域频谱技术是一种可

太赫兹应用技术的研究方向主要包括频谱应用、成像应用、通信应用,这些应用在国防安全领域也有潜在应用价值。3Qb安检之家

(一)太赫兹频谱应用3Qb安检之家

1. 时域频谱测量3Qb安检之家

太赫兹时域频谱技术是一种可同时获取太赫兹脉冲与物质相互作用的电场强度和位相信息的技术。经处理后能够精确地表征样品的光学、电学和介电特性随太赫兹频率变化的特征。1988 年, 人类首次实现太赫兹时域频谱测量,可测量样品的透射率、折射率、吸收系数、介电常数等。20 世纪90 年代初,锁模钛蓝宝石激光器被用于太赫兹时域频谱技术,探测器也改为低温生长的砷化镓器件。这种太赫兹时域频谱系统可对直径几厘米的物体进行二维成像。在此基础上,目前已经发展出太赫兹断层扫描和太赫兹近场/ 暗场/ 单像素成像系统。3Qb安检之家

2. 表征半导体和纳米结构3Qb安检之家

在激光源太赫兹时域频谱技术诞生后,有研究将其用于半导体和纳米结构的表征。2000 年,有研究人员发表了利用太赫兹波以非接触方式在非皮秒时间尺度上测量砷化镓瞬态光电导率的成果。目前,由光电导天线制成的具有亚皮秒时间分辨率的非接触式探头,已可在10~100fs 时间尺度内,表征了砷化镓中电子– 空穴等离子体生成光子后的库仑掩蔽和等离子激元散射现象。3Qb安检之家

3. 无损检测和分子光谱3Qb安检之家

太赫兹波对半导体、聚合物、陶瓷及其复合材料具有较强的穿透能力,可用于无接触检测,且太赫兹波光子能量低,不会对材料造成影响,这种测量是无损的。在工业和科学研究领域,使用太赫兹光谱可以在远场获得数百微米级空间分辨率的图像,探究物体内部结构。太赫兹时域光谱检测已经应用在电子、制药、催化、食品、复合材料、艺术品保护及汽车等领域,实现了非破坏性检测。3Qb安检之家

(二)太赫兹成像应用3Qb安检之家

1. 显微成像3Qb安检之家

太赫兹频带是许多凝聚态物质的低能量激发能级对应频带,包括等离子激元、声子、磁子和诱导能隙。利用时间分辨太赫兹显微成像系统可以研究纳米系统的瞬态行为。然而,太赫兹显微成像系统的空间分辨率有限,只能测量纳米系统的整体复数电导率,需要建模分析单个纳米结构、形状的相关局部效应。3Qb安检之家

近期,具有单个相干光子灵敏度的超宽带电光采样技术开始用于近场太赫兹显微镜,将太赫兹光谱成像系统的空间分辨率提高到亚纳米粒子尺度。此外,太赫兹扫描隧道显微镜也取得了一定发展。这种显微镜兼具高空间分辨率和超快速成像能力,在首次演示中,对大约2nm 尺度的纳米结构进行了成像。3Qb安检之家

2. 生物成像3Qb安检之家

太赫兹波可与生物分子共振,并且几乎不会损伤生物组织,实现活体成像。3Qb安检之家

太赫兹生物成像主要有两方面应用:在分子水平,主要是利用太赫兹波激发生物分子振动,检测分子动作;在生物组织水平,主要是利用生物组织和细胞的不同成分对太赫兹波的吸收率不同来进行组织或细胞成像。这种图像的灰度变化反映了组织的不同介电特性,可用于分辨疾病或损伤组织。3Qb安检之家

3. 医疗诊断3Qb安检之家

太赫兹波在医疗诊断领域的应用是依靠不同含水量的组织对太赫兹波的吸收不同实现的。观察人体组织的太赫兹透射图像,并依据不同组织含水量的差别来分辨正常组织和病变组织。例如,英国TeraView 公司开发了一种便携式液体太赫兹成像系统,被剑桥医院皮肤科诊所用于诊断皮肤癌。目前,太赫兹成像技术已经在乳腺癌、结肠癌、烧伤和角膜水化等领域获得了验证,并已开展工程设计。3Qb安检之家

(三)太赫兹通信应用3Qb安检之家

随着世界范围内无线数据业务呈指数级增长,60GHz 频带已经获得各国重视,而对于更高容量的无线数据系统,研究人员正在研究太赫兹通信频段(0.1~10THz)的可用带宽。目前,已有研究展示了W 波段(75~95GHz)和100GHz以上频段的太赫兹通信。利用直接检测肖特基势垒二极管,可在0.3THz 下实现48Gbit/s 的双通道多输入多输出实时通信。近期,有研究利用下变频技术在多频带亚太赫兹通信系统中实现了10048Gbit/s 的下行通信速率,以及1048Gbit/s 的上行通信速率。3Qb安检之家

(四)在国防安全领域的应用3Qb安检之家

太赫兹频谱系统、成像系统、通信系统在国防安全领域也得到了广泛应用。3Qb安检之家

在0.15THz 以上运行的成像系统可用于检查点的筛选、情报收集、人体扫描等。太赫兹波可以被许多有机分子吸收及被导电材料反射,用低功率太赫兹波直接非接触扫描人体,能发现人员随身携带的隐藏违禁物品,如毒品、炸药、枪械等,且不会对人体产生任何损伤。目前在0.15THz、0.34THz、0.68THz 频带已经获得了大量成像结果,验证了太赫兹安检系统的可用性。欧洲隐藏物体实时成像团队正在研发太赫兹成像安检仪。

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