热门:【科普课堂】太赫兹技术

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责任篇|吉佳太赫兹是一种新的、具有许多独特优点的辐射源。 太赫兹技术是非常重要的跨界行业，被科学家们称为“改变未来世界的十大技术之一”。 中国生物物理学会太赫兹生物物理分会成立之际，分会会长常超研究员将带领我们走向魔法太赫兹世界。 太赫兹和微波一样，太赫兹其实也是电磁波。 太赫兹一般是指0.1~10太赫兹( 1太赫兹=1012赫兹)频带的电磁波。 这个频带正好在微波和红外的边界 也就是说，向下(频率)是微波毫米波，向上(频率)是红外可见光，处于迁移区域。 国际上，这个地区被称为“太赫兹空白”。 因为其来源和探测器等技术的迅速发展比其他频带落后。 1690年，惠更斯提出了光学基本理论，二战期间也开始采用微波雷达，但太赫兹的研究还是近30年的事件，相对来说是新的，大家都觉得有点陌生。 电磁波频带分布太赫兹波段与以往传递的辐射源相比，太赫兹具有很多特征 第一，通透性很好 这个通透性和谁比呢？ 与可见光相比，太赫兹对一些介质的透射性更强。 具体而言，太赫兹对无极性介质具有良好透射性 比如我们穿的这些衣服，桌子上的纸，快递盒，甚至木质材料，太赫兹穿透也没问题。 利用这个好处，我们可以用它拍照。 上图是利用太赫兹的成像的一例，其中，a是叶片可见光下的图像，b是太赫兹成像效果，c是太赫兹成像的放大图像。 太赫兹比可见光透过能力强，因此能够更清楚地显示物体内部的情况 为什么太赫兹能通过非极性介质，因为很多分子的旋转振动能级在太赫兹带，对于极性介质来说，由于该分子存在固有的偶极矩，所以容易与电磁场相互作用，容易引起分子的旋转振动能级的迁移。 这是因为极性介质对太赫兹波的吸收很强。 无极性介质难以与电磁场相互作用，因此太赫兹吸收弱 太赫兹可以代替x射线吗？ 透射性高的太赫兹在某些情况下可以代替x射线进行拍摄。 当然，这也与太赫兹的另一个特点——能量低有关。 我知道x射线一定能拍摄，但x射线是明确的电离放射线，有患畸形癌的风险。 因此，通常规定人一年不得接受x射线超过一定的剂量。 但是太赫兹不同，其光子能量比较低，通常thz光子的能量比x射线光子能量低47级，远低于细胞等生物组织的电离阈值，因此比较安全。 另外，太赫兹是过渡性的 这是因为太赫兹脉冲的脉冲宽度非常窄，可以控制在皮秒(1/1012秒)量级，因此可以分解某个化学反应的中间过程等，进行稍快的动力学检测。 最后，但是现在被认为最重要的优点之一是太赫兹具有指纹的特征。 这是什么意思？ 大部分极性分子和生物高分子的振动或旋转产生的分子(光)光谱在太赫兹波段 例如蛋白质、核酸，这些都是由许多原子构成的生物高分子，这些分子之间的弱相互作用、骨架振动以及原子间极性结构的旋转和振动频率正好在太赫兹波段。 因此，大分子的结构特征决定了其特征分子(光)光谱，相反，通过知道其分子(光)光谱，可以识别它是什么种类的物质。 不同波段的电磁波在太赫兹上的应用前景如何太赫兹的透射性可以用于安全检查 太赫兹可以穿透衣服，检查衣服下面隐藏的危险品 太赫兹只是穿透衣服，变成肉就穿不上了，身上藏的刀和手枪也穿不上了。 其实，毫米波也可以做同样的事情，但与太赫兹相比，毫米波的波长更长，空间分辨率也稍差。 现在国内有几家公司在建立太赫兹安全系统的同时，也被上海世博会期间采用。 除了太赫兹安全图表外，太赫兹的通透性还可以用于乳腺癌的筛查等医学检查。 以前传达的乳腺癌筛查都是用x射线进行的。 但实际上，x射线并不是特别容易使用，所以使用钼目标。 由于x射线透射力太强，成像时肿瘤组织与健康组织的对应度差 因此，用钼靶压迫乳房组织，可以得到更清晰的图像。 但是，癌组织，特别是乳腺癌，在太赫兹波段的图像很清晰。 如上所述，水是极性介质，可以吸收太赫兹波。 但是乳腺中脂肪组织多，含水量相对少，因此正常组织和病变组织的图像差异更明显。 这方面的应用英国比较领先，用太赫兹检测皮肤癌和乳腺癌已产业化。 另外，是利用太赫兹指纹的特征进行食品安全的检查。 例如，我想评价这种油是正常的食用油，劣质油还是地沟油，但它们的分子(光)光谱不同。 由于地沟油反复高温加热，其中不饱和脂肪酸在结构上发生一些变化，同时地沟油通常含有重金属、真菌毒素和油脂氧化物等有害成分，与正常食用油的分子组成不同。 中，生成的分子(光)光谱也一定不同。 同样，也可以检测奶粉中是否添加三聚氰胺，但两者的光谱也不同。 国内很多大学和研究机构都在做这方面的研究。 例如上海理工大学、天津大学、电子科学技术大学、南京大学、中国科学院电子所等。 与微波相比，太赫兹的带宽更宽 通常，太赫兹的带宽可以达到千兆赫( ghz )或10千兆赫。 大部分微波源，例如x波段源的中心频率为9千兆赫，但带宽只有中心频率的10%，即0.9千兆赫。 与微波相比，太赫兹的带宽可以增加10倍 带宽增加10倍，传输率增加数百几千倍。 近年来，德国开发的太赫兹通信系统传输速度已经达到100gbps。 看看我们现在的移动通信从5g迅速发展到6g。 6g使用百吉饼的电磁波。 所以，如果未来发展得更快，我们可能会使用太赫兹手机。 制约太赫兹迅速发展的最大因素是怎样的太赫兹源的电力提高。 现在通常的太赫兹源的平均功率是毫瓦级，大致从几十毫瓦到几百毫瓦。 第一个原因是来源效率非常低，可能只有1%。 在太赫兹波段，这些常规设备效率特别低，能量损失很大。 这里所说通常的器件不包括自由电子激光器这样的大型科学装置 本文复印件将从“科学世界”对常超研究员的采访全文整理并刊登在“科学世界”年第11期中国生物物理学会官方预约阅读号上，为bsc会员和生物物理行业专业人士服务。 投稿和批准请与bscoffice@bsc联系 微信号: bsc-1979喜欢这个文案的人也喜欢原来的标题:“【科普教室】太赫兹技术--改变未来世界的“超级波””原文