改变世界的太赫兹技术到底有多牛?中国科学院院士揭开太赫兹技术的神秘面纱
导读：谈到红外光、激光和微波等技术，相信大多数人都有所了解。不过，知道太赫兹技术的人却寥寥无几了。早在2004年，美国首次提出太赫兹(THz，1012Hz)技术，并且被列为“改变未来世界的十大技术”之一。 那么，太赫兹技术到底是什么?有何种魅力吸引全球科学家的关注?给人们的生活带来哪些影响?带着这一系列问题。
近日，记者独家采访了我国著名激光与非线性光学专家、中国科学院院士姚建铨及从事太赫兹技术相关领域的研究
36 36875 36 13281 0 0 6148 0 0:00:05 0:00:02 0:00:03 6148人员，揭开太赫兹技术的神秘面纱。
“太赫兹技术,在光学领域有一个近年来为大众所熟知的名字——远红外线”。近日，中国科学院院士姚建铨在接受专访时介绍，人类社会存在诸如电磁波、震动波、伽马射线、X射线等各式各样的光波,而太赫兹波是人类迄今为止了解最少,开发最少的一个波段。
2004年,太赫兹(THz,1012 Hz)技术首次被美国提出,并且美国政府将太赫兹技术评为 “改变未来世界的十大技术”之一;2005年,日本更是将其列为“国家支柱十大重点战略目标”之首,举全国之力进行研发。太赫兹,因此成为本世纪最为重要的新兴学科之一。
“太赫兹指的是电磁频谱上频率为0.1~10THz的辐射,波长范围为0.03~3mm,介于无线电波和光波之间”。姚建铨院士表示,太赫兹波具有穿透性强、使用安全性高、定向性好、带宽高等技术特性,由于太赫兹释放的能量很小,不会在人体产生有害的光致电离。所以,相比X射线,太赫兹是一种更安全的安检技术。
除此之外,姚建铨表示,因为太赫兹的穿透能力很强,它不仅能探测到金属,人体携带的非金属、胶体、粉末、陶瓷、液体等危险物品都能被系统识别,安检的效率也大大提升了。目前太赫兹人体安检仪器已经在国内外投入使用了。
“什么是太赫兹波？赫兹是个频率单位，太赫兹指1012这个频率的电磁波，介于红外线和微波之间。以前，由于太赫兹波的自身特性以及缺乏有效的技术手段，人们对太赫兹波的认识、研究和应用是空白，现在世界兴起研究太赫兹波的潮流，是个前沿交叉领域。”在南方科技大学的校园中，张新海向记者介绍：“这些年为什么都要研究它？因为太赫兹波光子能量小，不会引起生物组织的电离，适合生物医学成像；因为它对非金属和非极性物质有高的透过性，可用于安全检查、无损检测；还有，有机体和生物大分子等物质在太赫兹波段有特征吸收谱，可用于爆炸物、毒品等危险物品的识别。”
张新海（中）带领的团队在实验室合影
“最典型的是安检。物品从检测机放入，乘客接受安检员手动检查，前者只能检测无机物，后者使用的只是金属探测器而已，假如谁携带一把陶瓷刀就检查不出了。太赫兹波做成的检测仪器，只要一次就可以检测清楚。再比如医学上，太赫兹波可以探测到直接代表生物大分子功能的空间构象且无害，为重大疾病诊断提供了更先进手段。”张新海说。
他继续介绍：“我们项目就叫超宽频谱超强太赫兹波的产生、调控及应用。在超宽频谱超强太赫兹波源的基础上，研发超宽频谱太赫兹光谱仪和超快太赫兹成像仪，然后应用到科学研究、医疗服务、食品安全、工业质量控制和无损检测等领域，目前已达世界水准。”
姚建铨院士认为，正是因为太赫兹射线展现出的诸多优越特性：包括能量低、对许多生物大分子表现出很强的吸收和谐振、能够以很小的衰减穿透物质、信噪比很高、带宽宽等，可以应用于国防、安全、天文、医疗、科研等诸多领域，具有巨大的市场价值。
“为了加快安检场所速率，使用太赫兹安检仪，大约3秒时间就可以完成检测”。北京航天易联科技发展有限公司太赫兹项目组负责人赵光贞博士在接受中国科技网记者采访时表示，相对于X光机安检仪、还有主动式毫米波安检仪这些设备，太赫兹安检仪主要是利用人体和物品不同的温度差来检测，整个过程太赫兹安检仪不是向外辐射电磁波，而是只是被动接收人体发射出的太赫兹波。因此是目前安检领域最安全、有效的方式，对人体是没有危害的。
也有媒体报道，太赫兹人体安检仪的问世，标志着我国在太赫兹安检领域已达到国际领先水平。尤其是成像技术，成像分辨率小于5毫米，即一个蚂蚁大小的物体都能被辨识。未来可广泛用于机场、海关、高铁、地铁等领域。
“太赫兹安检仪有被动式和主动式的区分,被动的是检测仪器接收物体自己发出来的波来进行检测,主动式的需要发出太赫兹波看是否可以穿透或者反射回来。”。太赫兹项目组负责人赵光贞博士介绍,毫米波比太赫兹的波段要低一些,波长长一些,太赫兹相对于毫米波,波长要短,频率高,分辨率要高一些。所以毫米波主要是主动式检测,从毫米波源打出毫米波到人体或者被检测物体上,然后再反射回来,机器接收反射回来的波。
“太赫兹安检仪与X射线安检仪并不是一回事”。赵光贞博士介绍,X射线安检仪,被检测物体经过它时候,它是有一个发射源。X射线频率特别高,能量较强,用它来做安检,是穿透物体从另一端接收,是主动式的。而被动式太赫兹安检仪,是接收被检人员或者物体发射出的太赫兹波,这是两个概念。
如果没有搜查许可,一般难以打开封装的邮件进行检查,所以犯罪分子有时使用装在厚纸袋内的国际邮件来走私毒品和兴奋剂。而利用太赫兹技术就可以让这些隐身毒品无所遁形。
“太赫兹波是一种波长介于红外线与微波之间的电磁波,能够穿透塑料制品、衣物。”姚建铨院士介绍,前段时间恐怖分子给美国国会议员写信,因为担心信件里携带炭疽病菌,日本专门研发生产了几十台机器给美国邮电局用来检查邮件,因为太赫兹技术不仅可以探测成像,而且还可以测量物质成分的特性,实现对多种物体的检测,比如毒品、爆炸物。
姚建铨院士介绍,太赫兹波有非常重要的学术和应用价值。由于太赫兹波所处的特殊电磁波谱的位置,它有很多优越的特性,在材料分子的特殊光谱信息分析、材料与结构的无损探伤及三维层析、违禁物品反恐检查、生物组织的活体检查、高精度保密雷达、卫星间宽带通信等方面的研究,在天体物理学、等离子体物理学、光谱学、材料学、生物学、医学成像、环境科学、信息科学等领域有着广阔的应用前景。
如果问伊拉克战争中美军最怕的是什么,那答案肯定是路边炸弹,防不胜防的路边炸弹,成了驻伊美军不寒而栗的“头号杀手”,以至于让美国海军陆战队司令迈克尔·哈吉认为:“这种相对低级的武器将成为未来战争的一个标志。”
然而,太赫兹的“穿墙术”或许能够扭转这种局面。姚建铨院士介绍,它不仅能够探测隐蔽在墙后的武器、伪装埋伏的武装人员,还能够显示沙尘或烟雾中的坦克、火炮等装备,从而有效提高部队巷战能力。
不仅如此,太赫兹成像技术在塑料凶器、陶瓷手枪、塑胶炸弹、流体炸药和人体炸弹的检测和识别上,更是“明察秋毫”,利用强太赫兹辐射照射路面,还可以远距离探测地下的雷场分布。
姚建铨院士介绍,除了军用,太赫兹技术还可以应用于国土安全、天文、医疗、通信、科学研究等诸多领域,因此成为当前世界上一项极为重要的前沿技术。
随着一系列新技术、新材料的发展,特别是超快技术的发展,使得获得宽带稳定的脉冲太赫兹源成为一种准常规技术,太赫兹技术得以迅速发展,并在实际范围内掀起一股太赫兹研究热潮。也必将成为改变未来世界的重要前沿科技。
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