太赫兹基础从实验室走出来还要多久?

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  谈到红外光、激光和微波等等,相信大多数人都有所了解,不过,知道太赫兹的人就寥寥无几了。

  2004年,太赫兹(THz,10¹² Hz)技术首次被美国提出,并且被列为“改变未来世界的十大技术”之一,一时间,全球学术界的专家将目光投向了这一名不见经传的技术。现在,十年过去了,业界对太赫兹的认知逐渐加深,不少专家更加确信太赫兹将颠覆未来绝大多数行业,甚至还有人认为太赫兹将是6G或者7G通信的基础...

  然而,无论是对学术界还是产业界而言,太赫兹依然还是电磁波谱里面最神秘的存在。那么太赫兹到底有何魅力能让其吸引全球技术专家的关注?又是什么阻碍研究人员进一步对太赫兹进行探索?带着这些问题,在日前举行的激光研讨会上采访了中科院院士姚建铨。

  太赫兹能颠覆哪些行业?

  在电磁波频谱上,太赫兹波的波长在3μm到1000μm之间,频率为0.1-10THz(类似硬盘容量单位1TB、2TB..),是介于微波与红外线之间的电磁波。

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  姚建铨告诉记者,太赫兹和电磁波频谱中其它波段不一样,它几乎兼具通信、雷达和遥感测距等所有功能,而且每项应用的表现都比现有技术占优。

  通信

  从上图中可以看出,太赫兹波介于无线电波和光学波之间,这在一定程度上赋予了它和其余电磁波不同的特性——兼具微波通信以及光波通信的优点,即传输速率高、容量大、方向性强、安全性高及穿透性强等。

  理论来讲,在通信领域里,频率越高通信容量就越大。太赫兹波的频率比目前使用的微波要高1~4个数量级,它能提供10Gbit/s以上的无线传输速率,这是微波无法达到的高度。因此,它能解决信息传输受制于带宽的问题,也能满足用户对带宽的需求。

  雷达

  因为太赫兹的波长很短,大约在30um—3mm的范围内,远小于微波与毫米波的波长,能达到更高的精度,而且穿透力远远强于激光雷达。

  另外,雷达是靠接收物体的反射信号来进行探测的,所以一旦物体表面对雷达波进行吸收或者散射,雷达就探测不到该物体。不过,上文已经提到太赫兹拥有非常宽的带宽,所以它能更有效地监测到更多的物体,未来或许可以用于无人驾驶汽车等领域。

  总的来说,太赫兹雷达具有高分辨率、强穿透力和强抗干扰能力等特点。

  安检成像

  目前,在火车站、机场等公共场所进行安检通常要进行两步,先通过金属安检门(大多还是基于X射线),随后全身被工作人员用手持式金属探测器扫了个遍。这种方案有两大缺点,搜身让用户很尴尬,另外X射线的辐射会对人体造成影响。

  “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。”

  姚建铨如是说。

  除此之外,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。

  生物医疗诊断

  姚建铨表示,太赫兹的频段能够直接探测到生物分子的信息,这是其他电磁波段无法无法比拟的。

  太赫兹波很容易被水分子或氧气分子等极性物质吸收(这也是太赫兹的一大缺点),由于不同的分子具有不同的吸收谱线,我们可以利用这些谱线以及太赫兹波成像技术来诊断依稀重大疾病。

  研究太赫兹难在哪?

  不过遗憾的是,国内外对太赫兹研究的十几年里并没有取得大的突破,太赫兹才刚刚从实验室走向产品化的阶段,到目前我们几乎只能在部分安检设备上看到太赫兹的影子。毫不夸张的说,人类对太赫兹的认知甚至还不如人工智能。

  姚建铨表示,技术不成熟是太赫兹无法大面积使用的根本原因,在这一频段上,既不完全适合用光学理论来处理,也不完全适合微波的理论来研究;第二点就是,太赫兹测试与测量仪器设备也因为技术门槛过高而导致发展停滞不前。

  “制造一个相关设备需要巨大的资金,而且仅凭现有的技术,产品的效率和体积都无法满足大量场景的需求。”他补充道。因为,频率越高,波长越短,对器件的工艺要求也就越高,至少国内现在还无法造出高质量的产品。

  以目前的研究水平,微波和激光的成本和效率都比要优于太赫兹雷达,但在未来的十年或二十年里,太赫兹将会成为最核心的技术。

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