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探究太赫茲發展史以及特性與應用

電子工程師 ? 來源:廣州虹科電子科技有限公 ? 作者:廣州虹科電子科技 ? 2021-05-31 16:36 ? 次閱讀
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前言

赫茲對于我們來說,再也熟悉不過;赫茲(Hz)描述的是每一秒中發生的周期性事件次數,作國際頻率單位,也常見于描述電磁波、信號、聲音的性質。赫茲派生單位還包括千赫茲(KHz)兆赫茲(MHz)、吉赫茲(GHz)等。由于“Tera”本身描述的是10的12次方數量級,由此,TeraHertz,即太赫茲,可以簡單的理解為吉赫茲的下一數量級單位。

太赫茲的那段“黑”歷史

紅外技術比太赫茲技術早發展了近50年,如今紅外技術與產品唾手可得,加上此次疫情的“雪上加霜”,紅外產品得以大放異彩。反觀太赫茲,因為光學器件成本過于昂貴,國內對太赫茲的研究也落后于國際水平,普遍大眾鮮有對其進行嘗試,無法達到產業化的需求,僅在為數不多的航天科技、安檢與實驗室中可以看到太赫茲的身影。

早在20世紀80年代,由于缺少穩定有效的太赫茲源和探測器,以及對太赫茲的相關研究稀少,其一度被稱為“太赫茲鴻溝”,技術尚待挖掘。如今,隨著新一代太赫茲源與探測器的不斷發展問世,這個“鴻溝”正在快速被填補,技術也蓬勃發展。

實際上, 早在一百多年前, 就有科學工作者涉及過該波段的研究,即在1896年和1897年,Rubens和Nichols對該波段進行先期的探索。在之后的近百年間, 太赫茲科學與技術得到了初步的發展, 許多重要理論和初期的太赫茲器件相繼問世。而“ Terahertz”這個詞語正式在文章中出現卻是在1974年左右, Fleming用它來描述邁克爾遜干涉儀所覆蓋的一段頻段的譜線。

現代太赫茲科學與技術的真正發展則是在20世紀80年代中期, 隨著一系列新技術、新材料的發展, 特別是超快技術的發展, 使得獲得寬帶穩定的脈沖太赫茲源成為一種常規技術, 太赫茲技術也從此得以迅速發展。由于THz所處的特殊電磁波譜的位置, 它有很多優越的特性, 有非常重要的學術和應用價值, 使得THz受到全世界各國政府的支持, 并給予極大的關注。美國、歐州和日本尤為重視。

我國政府在2005年11月專門召開了“香山科學會議”, 邀請國內多位在THz研究領域有影響的院士專門討論我國THz事業的發展方向, 并制定了我國THz技術的發展規劃。我國的THz學科研究受到政府和各研究機構的廣泛重視。

國家科技部、國家自然科學基金委、863計劃(民口和軍口)及第270次香山科學會議等都將太赫茲科學技術列為研究主題。然而,太赫茲技術的發展仍然受到太赫茲輻射源、太赫茲探測器以及許多太赫茲功能器件的制約,盡管這些領域的研究已經進行了二十多年,但與激光技術相比,太赫茲技術所需要的許多關鍵器件還是十分有限的,很多技術尚待開發,甚至一些基礎理論研究也是急需發展的。

太赫茲特性與應用

太赫茲波是指頻率在0.1~10THz范圍內的電磁波,波長在3mm~30μm之間,是目前電磁波頻段各國有著大量競爭的前沿領域,也是人類認知最少的一個頻段,行業人士常稱太赫茲為光電行業的“最后一塊拼圖”,也是基于其在電磁波頻段上的巨大應用潛能與獨特優越性。

太赫茲波其介于微波與遠紅外波段,覆蓋部分毫米波與遠紅外頻段,因此太赫茲波本身也是具有紅外輻射與毫米波的特性的。一般來說,太赫茲普遍的特性如下:

01

強穿透性和低能性

指太赫茲波能夠穿透非極性與非金屬物質如塑料、陶瓷、樹木、布料和復合材料等;另外,太赫茲波本身光子能量低,只有大約X射線光子能量的一個百分點,不具有電離特性,對于人體等大部分活體組織是安全無害的,因此也非常適合安檢領域。

在其它無損檢測領域,太赫茲也大放異彩。例如,檢測樣品缺陷,包括裂痕、錯位或者存在雜質。食品和農業中,可以通過檢測食物或者種子的光譜信息,判斷食品質量或者含有的潛在危害物質(添加劑、轉基因分子)。

軍事方面,與微波雷達技術比較,太赫茲雷達可以對小的目標進行有效探測,并且能夠對位置進行精確判斷,還能夠實現定位的保密性,分辨率強。紅外雷達和激光雷達相比太赫茲的雷達具有很強的穿透能力,對煙霧和沙塵天氣都 能夠實現穿透效果。具有自身獨特的穿墻能力,太赫茲的雷達可以探測到敵方隱蔽的武器,還能夠對偽裝埋伏的 武裝人員進行有效探測。

02

帶寬高

通常來講,傳輸速率隨著載波頻率增加而增加。太赫茲顯然大于微波整體帶寬,因此其能夠實現的帶寬級也更高。目前手機通訊的頻 率只能夠達到太赫茲波的千分之一,太赫茲波在進行無線傳輸過程當中,能夠以 10GB/s 速度傳遞,是 6G 的理想波段選擇。未來太赫茲很大程度上也需要通過其通信領域的應用進行普及。

不過,由于水、沙塵等顆粒物對太赫茲波的吸收,太赫茲傳播會受到不同程度的衰減,特別在沙塵暴與雨天天氣情況。因此,地面遠距離通信不適合太赫茲波,而在衛星間通信與短程地面通信等等有較大潛力。

03

指紋特性

許多生物大分子在太赫茲頻段有明顯的吸收峰,分子發生振動、轉動等現象所對應的頻率也位于太赫茲波段。理論上,太赫茲波對若分子間作用和分子低能級的振動與轉動更敏感。因此,我們可以利用太赫茲光譜來鑒別物質,更好對結構差異細微的有機分子進行識別等。

值得一提的點是,水的介電特性,即水對太赫茲的強吸收性也為其醫療應用提供了便利:人體細胞在病變后往往組織水量較正常組織會發生變化,因此可以利用太赫茲定位病灶與其大小。該技術能快速辨別病變區域的大小、形態等,減少患者的痛苦,還會提高醫療診斷效率。

除此之外太赫茲波還有諸如強相干性和瞬態性等特點,在檢測技術和時間分辨研究中也有很多優勢。

結語

太赫茲技術以上的介紹能夠為讀者普及關于太赫茲技術的基本概念,其中的應用涉及到無損檢測與通信。至于成像應用,我們將在下一篇細說,為大家帶來關于太赫茲成像的實際案例,以及近期推出的虹科太赫茲源TeraCascade產品。我們下期再見!

文章出處:廣州虹科電子科技有限公司

編輯:jq

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原文標題:虹科光電 | 了解Thz太赫茲技術——未來頻段

文章出處:【微信號:Hongketeam,微信公眾號:廣州虹科電子科技有限公司】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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