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太赫兹技术应用

随着新技术和新材料的突破,有效太赫兹辐射源和探测器的相继问世, 太赫兹技术的研究和应用才有了较快发展, 在医疗诊断、天文、物体成像、工业探伤、宽带移动通信,雷达探测等众多领域显示了重大的科学价值及实用前景。

近5年来低成本CMOS,新材料太赫兹技术的突破有望改变太赫兹技术仅在军事,航天,高端医疗领域有较多应用的现状,让太赫兹技术进入民用消费级电子市场。

(1) 太赫兹辐射是完全非电离的,由于能量较X射线低很多,对绝大部分的生物细胞无电离伤害,适合对活体生物或组织进行实时检查。如皮肤烧伤或皮肤癌的早期诊断,口腔疾病诊断,活体DNA鉴别等。

(2) 太赫兹频谱覆盖了这个有机大分子,包括蛋白质在内的转动和谐振频率。许多大分子在太赫兹频段表现出很强的吸收和谐振,形成具有生物特异性的太赫兹特征谱。另外,碳(C), 水(H2O),一氧化氮(NO),氮(N2), 氧(O2)等大量的分子也有各自的太赫兹特征谱。这些特征谱信息对于生物化学物质结构,以及大气污染和天文探测有着很高的研究价值。

(3) 安全检查应该说是太赫兹现阶段最吸引人的应用,它的本质是利用太赫兹电磁信号的穿透性和对金属等特殊材料的强反射特性进行实时快速透视成像,并且在达到成像目的的同时,不需要担心X射线的电离伤害。太赫兹电磁信号能以较低的衰减穿透衣物,皮箱,陶瓷,硬纸板,塑料制品非极性材料等;而对于极性物质比如水或金属有强烈的吸收和反射。

太赫兹的成像解析度虽然比不上X射线,但足够探测隐藏在衣物、鞋内的刀具、枪械等物品。另外结合太赫兹对物质鉴别的特性,能够区分身上是否携带炸药或毒品。便携式的太赫兹安检仪已经处于后期研发测试阶段,有希望在20cm外自动快速检测危险物品,实时生成高清晰度三维图像。可以设想再过几年,将在在机场火车站安装大量太赫兹安检设备。

(4) 无损检测同样是利用太赫兹电磁信号对大部分干燥、非金属、非极性材料有较好的穿透能力,再结合各种成像技术,就可以对材料中的缺陷进行详细检测。太赫兹无损检测广泛应用于航天、雷达材料的检测。介于太赫兹系统的小型化低成本话的趋势,近年来越来越多的工业、民用产品流水线在配合太赫兹成像系统完成快速无损检测。

(5) 大容量、高保密的宽带近距离通信是太赫兹频段的又一大应用。虽然单就通信距离来看,由于太赫兹在空气中传播时很容易被水分所吸收,信号衰减严重,存在着传输距离的 “短板” 。但是,在某些情况下,有限的传输距离反而能成为优势。因为大气衰减能使信号根本无法传播到远处的无线电技术监听设备,可实现隐蔽安全的近距离通信。而100 GHz ~ 1 THz的超宽带宽,是太赫兹通信的可用带宽超过长波、中波、短波、微波 (30 GHz) 总的带宽的1000倍。由于THz波的频率比微波更高,波长很短,可以制成方向性很强,尺寸又小的天线,将大大减小发射功率,并减轻收发机相互之间的干扰。

在刚刚结束的集成电路的最高级别会议,国际电路会议ISSCC 2017,上来自日本广岛大学,国家信息通信技术研究院和松下通信研究院,共同展示了105 Gb/s 300GHz 的CMOS 发射机,如图7所示。该太赫兹发射机的通信带宽比在2020年商用部署的5G移动通信系统还快了10倍。

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