導讀：談到紅外光、雷射和微波等技術，相信大多數人都有所了解。不過，知道太赫茲技術的人卻寥寥無幾了。早在2004年，美國首次提出太赫茲(THz，1012Hz)技術，並且被列為「改變未來世界的十大技術」之一。 那麼，太赫茲技術到底是什麼?有何種魅力吸引全球科學家的關注?給人們的生活帶來哪些影響?帶著這一系列問題。
近日，記者獨家採訪了我國著名雷射與非線性光學專家、中國科學院院士姚建銓及從事太赫茲技術相關領域的研究人員，揭開太赫茲技術的神秘面紗。
「太赫茲技術,在光學領域有一個近年來為大眾所熟知的名字——遠紅外線」。近日，中國科學院院士姚建銓在接受專訪時介紹，人類社會存在諸如電磁波、震動波、伽馬射線、X射線等各式各樣的光波,而太赫茲波是人類迄今為止了解最少,開發最少的一個波段。
2004年,太赫茲(THz,1012 Hz)技術首次被美國提出,並且美國政府將太赫茲技術評為 「改變未來世界的十大技術」之一;2005年,日本更是將其列為「國家支柱十大重點戰略目標」之首,舉全國之力進行研發。太赫茲,因此成為本世紀最為重要的新興學科之一。
「太赫茲指的是電磁頻譜上頻率為0.1~10THz的輻射,波長範圍為0.03~3mm,介於無線電波和光波之間」。姚建銓院士表示,太赫茲波具有穿透性強、使用安全性高、定向性好、帶寬高等技術特性,由於太赫茲釋放的能量很小,不會在人體產生有害的光致電離。所以,相比X射線,太赫茲是一種更安全的安檢技術。
除此之外,姚建銓表示,因為太赫茲的穿透能力很強,它不僅能探測到金屬,人體攜帶的非金屬、膠體、粉末、陶瓷、液體等危險物品都能被系統識別,安檢的效率也大大提升了。目前太赫茲人體安檢儀器已經在國內外投入使用了。
「什麼是太赫茲波？赫茲是個頻率單位，太赫茲指1012這個頻率的電磁波，介於紅外線和微波之間。以前，由於太赫茲波的自身特性以及缺乏有效的技術手段，人們對太赫茲波的認識、研究和應用是空白，現在世界興起研究太赫茲波的潮流，是個前沿交叉領域。」在南方科技大學的校園中，張新海向記者介紹：「這些年為什麼都要研究它？因為太赫茲波光子能量小，不會引起生物組織的電離，適合生物醫學成像；因為它對非金屬和非極性物質有高的透過性，可用於安全檢查、無損檢測；還有，有機體和生物大分子等物質在太赫茲波段有特徵吸收譜，可用於爆炸物、毒品等危險物品的識別。」
張新海（中）帶領的團隊在實驗室合影
「最典型的是安檢。物品從檢測機放入，乘客接受安檢員手動檢查，前者只能檢測無機物，後者使用的只是金屬探測器而已，假如誰攜帶一把陶瓷刀就檢查不出了。太赫茲波做成的檢測儀器，只要一次就可以檢測清楚。再比如醫學上，太赫茲波可以探測到直接代表生物大分子功能的空間構象且無害，為重大疾病診斷提供了更先進手段。」張新海說。
他繼續介紹：「我們項目就叫超寬頻譜超強太赫茲波的產生、調控及應用。在超寬頻譜超強太赫茲波源的基礎上，研發超寬頻譜太赫茲光譜儀和超快太赫茲成像儀，然後應用到科學研究、醫療服務、食品安全、工業質量控制和無損檢測等領域，目前已達世界水準。」
姚建銓院士認為，正是因為太赫茲射線展現出的諸多優越特性：包括能量低、對許多生物大分子表現出很強的吸收和諧振、能夠以很小的衰減穿透物質、信噪比很高、帶寬寬等，可以應用於國防、安全、天文、醫療、科研等諸多領域，具有巨大的市場價值。
「為了加快安檢場所速率，使用太赫茲安檢儀，大約3秒時間就可以完成檢測」。北京航天易聯科技發展有限公司太赫茲項目組負責人趙光貞博士在接受中國科技網記者採訪時表示，相對於X光機安檢儀、還有主動式毫米波安檢儀這些設備，太赫茲安檢儀主要是利用人體和物品不同的溫度差來檢測，整個過程太赫茲安檢儀不是向外輻射電磁波，而是只是被動接收人體發射出的太赫茲波。因此是目前安檢領域最安全、有效的方式，對人體是沒有危害的。
也有媒體報導，太赫茲人體安檢儀的問世，標誌著我國在太赫茲安檢領域已達到國際領先水平。尤其是成像技術，成像解析度小於5毫米，即一個螞蟻大小的物體都能被辨識。未來可廣泛用於機場、海關、高鐵、地鐵等領域。
「太赫茲安檢儀有被動式和主動式的區分,被動的是檢測儀器接收物體自己發出來的波來進行檢測,主動式的需要發出太赫茲波看是否可以穿透或者反射回來。」。太赫茲項目組負責人趙光貞博士介紹,毫米波比太赫茲的波段要低一些,波長長一些,太赫茲相對於毫米波,波長要短,頻率高,解析度要高一些。所以毫米波主要是主動式檢測,從毫米波源打出毫米波到人體或者被檢測物體上,然後再反射回來,機器接收反射回來的波。
「太赫茲安檢儀與X射線安檢儀並不是一回事」。趙光貞博士介紹,X射線安檢儀,被檢測物體經過它時候,它是有一個發射源。X射線頻率特別高,能量較強,用它來做安檢,是穿透物體從另一端接收,是主動式的。而被動式太赫茲安檢儀,是接收被檢人員或者物體發射出的太赫茲波,這是兩個概念。
如果沒有搜查許可,一般難以打開封裝的郵件進行檢查,所以犯罪分子有時使用裝在厚紙袋內的國際郵件來走私毒品和興奮劑。而利用太赫茲技術就可以讓這些隱身毒品無所遁形。
「太赫茲波是一種波長介於紅外線與微波之間的電磁波,能夠穿透塑料製品、衣物。」姚建銓院士介紹,前段時間恐怖分子給美國國會議員寫信,因為擔心信件裡攜帶炭疽病菌,日本專門研發生產了幾十臺機器給美國郵電局用來檢查郵件,因為太赫茲技術不僅可以探測成像,而且還可以測量物質成分的特性,實現對多種物體的檢測,比如毒品、爆炸物。
姚建銓院士介紹,太赫茲波有非常重要的學術和應用價值。由於太赫茲波所處的特殊電磁波譜的位置,它有很多優越的特性,在材料分子的特殊光譜信息分析、材料與結構的無損探傷及三維層析、違禁物品反恐檢查、生物組織的活體檢查、高精度保密雷達、衛星間寬帶通信等方面的研究,在天體物理學、等離子體物理學、光譜學、材料學、生物學、醫學成像、環境科學、信息科學等領域有著廣闊的應用前景。
如果問伊拉克戰爭中美軍最怕的是什麼,那答案肯定是路邊炸彈,防不勝防的路邊炸彈,成了駐伊美軍不寒而慄的「頭號殺手」,以至於讓美國海軍陸戰隊司令麥可·哈吉認為:「這種相對低級的武器將成為未來戰爭的一個標誌。」
然而,太赫茲的「穿牆術」或許能夠扭轉這種局面。姚建銓院士介紹,它不僅能夠探測隱蔽在牆後的武器、偽裝埋伏的武裝人員,還能夠顯示沙塵或煙霧中的坦克、火炮等裝備,從而有效提高部隊巷戰能力。
不僅如此,太赫茲成像技術在塑料兇器、陶瓷手槍、塑膠炸彈、流體炸藥和人體炸彈的檢測和識別上,更是「明察秋毫」,利用強太赫茲輻射照射路面,還可以遠距離探測地下的雷場分布。
姚建銓院士介紹,除了軍用,太赫茲技術還可以應用於國土安全、天文、醫療、通信、科學研究等諸多領域,因此成為當前世界上一項極為重要的前沿技術。
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衝太赫茲源成為一種準常規技術,太赫茲技術得以迅速發展,並在實際範圍內掀起一股太赫茲研究熱潮。也必將成為改變未來世界的重要前沿科技。
內容來源 | 科技日報 健康邦編輯整理，版權屬原作者 轉載請註明出處。 投稿郵箱：35523455@qq.com 商務合作：010-56218223
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