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「太赫茲技術 」3分鐘帶你了解太赫茲技術

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太赫茲波,這個電磁波里最神秘的存在,被認為未來將顛覆安檢、通信、生物醫學等諸多行業,受到政府、科研界和產業界的多方關注。

那么現在太赫茲技術發展如何了?未來的技術走向和應用場景是怎樣的?

太赫茲(Terahertz,簡稱THz,1 THz=1012 Hz)波是指頻率范圍在0.1-10 THz,相應的波長在3 mm-30 μm,介于毫米波和紅外光學之間的電磁波譜區域。隨著現代科學技術的發展,人們對毫米波和紅外光的研究不斷深入,其器件和應用技術日趨成熟,形成了毫米波和紅外光學兩大應用和研究領域。

然而在毫米波和紅外光之間的太赫茲頻譜區域,由于缺乏高效的太赫茲輻射源、探測器及功能器件,豐富的太赫茲頻譜資源尚未被充分開發利用,成為當前學術界的研究熱點。

太赫茲技術的研究主要集中在太赫茲輻射、太赫茲探測、太赫茲通信太赫茲成像等方面。其中,高效的太赫茲輻射源和探測技術是推動太赫茲技術走向應用的關鍵。

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太赫茲輻射技術

在太赫茲諸多技術的研究中,太赫茲輻射源的研究占據了很重要的位置。太赫茲輻射的產生主要有3種途徑:

基于電子學技術的太赫茲輻射源,包括返波管、耿氏振蕩器以及固態倍頻源等,這是毫米波技術向高頻方向的擴展,這類太赫茲輻射源工作于1 THz以下,輸出功率通常在數十微瓦到毫瓦量級;

基于光子學技術的太赫茲輻射源,包括量子級聯激光器、自由電子激光器和氣體激光器等,這是激光技術向低頻方向的延伸,這類太赫茲輻射源輸出功率較大,具有很好的應用潛力?;谔掌澕す馄鞯墓忸l梳技術在高分辨成像和成譜應用方面的前景廣闊;

基于超快激光技術的太赫茲輻射源,這類技術是1 THz附近向高頻和低頻方向同時發展的太赫茲輻射源技術,這類太赫茲輻射源具有脈寬窄、峰值功率高等優點,但是存在能量轉換效率和平均輸出功率低的問題。

因此,探索實現室溫、高輸出功率、連續可調諧和小型化的輻射源將大大促進太赫茲技術的研究,也是當前太赫茲領域的重要發展目標。

太赫茲探測技術

太赫茲探測技術也是太赫茲技術研究的一個重要組成部分,它涉及到物理學、光電子學、材料科學和半導體技術等,是一門綜合性很強的技術。按照探測的原理可以分為太赫茲熱探測器和太赫茲光子型探測器兩大類。

太赫茲熱探測器的工作原理為:探測材料吸收太赫茲輻射,引起材料溫度、電阻等參數的改變,再將其轉換為電信號。

常見的太赫茲熱探測器主要包括氘化硫酸三甘肽焦熱電探測器、微機械硅bolometer 探測器以及鉭酸鋰焦熱電探測器、超導隧道結和熱電子混頻器等。

太赫茲光子探測器中,電磁輻射被材料中的束縛電子或自由電子直接吸收,引起電子分布的變化,進而給出電信號輸出。

常見的太赫茲光子探測器有太赫茲量子阱探測器、肖特基二極管和高遷移率晶體管等離子體波太赫茲探測器等。熱探測器的極限探測靈敏度與探測器工作溫度成正比,因此高靈敏太赫茲熱探測器需要低溫工作。

太赫茲光子探測器通常有高的損傷閾值和大的線性響應范圍,探測靈敏度和響應速度間不存在相互制約,可以同時具備高探測靈敏度和快速響應能力。

太赫茲通信技術

太赫茲通信技術建立在傳統無線通信的基礎之上,由于太赫茲通信系統具有帶寬大、傳輸速率高、保密性好等特點,隨著現代社會對無線通信速率的要求不斷提高,利用太赫茲波作為載波進行無線通信成為現代通信技術發展的必然。太赫茲通信的應用場景包括短距離高速無線通信、空間通信和復雜軍事環境條件下的保密通信等。

目前太赫茲通信還處在關鍵器件的研究開發、太赫茲通信系統整體結構方案的可行性論證以及實驗室的研究與仿真演示階段,亟需研制高性能的太赫茲固態器件,解決太赫茲信號的調制和信號處理技術,并制定相應的技術標準。

因此,太赫茲通信技術可以實現更高速率的信息傳輸,搶占帶寬資源,這不僅具有很高的經濟價值,還具有非常高的戰略意義。

太赫茲成像技術

由于太赫茲頻段光子能量較低,不會對被測物體造成損壞,并且對某些非極性材料具有良好的穿透能力,因此利用太赫茲波的穿透性和安全性等優點進行成像技術開發,可對被測物體進行成像,從而實現無損檢測和安全檢查。

根據成像機理,太赫茲成像分為被動式成像主動式成像

被動式成像是通過太赫茲探測器對被測物體自身的輻射能量進行探測, 利用不同物質輻射強度的差異來實現成像和辨別。被動式成像是一種相對安全的成像方式,但是成像系統對信號本身的強度以及接收機的靈敏度要求較高。

太赫茲主動式成像主要是通過太赫茲輻射源發射一定強度的太赫茲信號并照射到被測物體,利用太赫茲探測器接收被測物的反射波或者透射波,通過成像系統對探測器探測到的振幅和相位信息進行分析處理,得到被照射物體的圖像。主動式成像系統可以對包括塑料、生物組織等非金屬材料進行檢測,并且可以有效地進行三維成像。

太赫茲波在電磁波譜中的特殊位置,使其具有重要的學術價值和應用前景。目前,國內外太赫茲研究單位在太赫茲輻射源、探測器以及太赫茲應用技術方面都取得了一些重要的研究成果,為太赫茲技術的應用奠定了良好的基礎,尤其是太赫茲安檢和通信等技術應用也正在逐步走向商用??梢灶A見,隨著太赫茲技術的不斷成熟,太赫茲技術領域將產生出更多具有自主知識產權和自有核心技術的成果和產品,推動國民經濟的發展

文章來源:https://www.sohu.com/a/228785037_100126609

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