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太赫兹波与太赫兹技术到底有多牛?

太赫兹(Terahertz,简称THz) 波是指频率介于红外和微波之间的电磁波,故对其研究手段由电子学理论逐渐过渡为光子学理论。

在20世纪80年代中期以前,由于缺乏有效的产生方法和检测手段,科学家对该波段电磁辐射性质的了解非常有限。近年来超快激光技术的发展为THz波脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源,使THz辐射的研究蓬勃发展。

由于THz波的独特性质,它在物理、生物、化学、生物制药、材料科学和电子工程等许多领域得到了应用,其在军事和安全领域,太赫兹技术更是有着广阔的应用前景。THz波技术在无损检测领域也异军突起,成为无损检测行业的新技术之一。

太赫兹

赫兹的特性
       太赫兹波综合了电子学和光子学的优越性能,具有很多不同于其他电磁波的特殊性质。也正是这些特性,使之成为当前科技界最热闹的前沿领域之一。

指纹特性
       物质的太赫兹光谱包含着丰富的分子结构信息。大部分物质晶格的振动以及分子的转动和振动能级之间的跃迁都对应于太赫兹波段范围,每一种物质在该波段透射-吸收光谱的位置、强度和形状均不相同。

因此太赫兹光谱能反映分子种类和结构的细微变化,使得它们具有类似指纹一样的唯一特点,所以太赫兹光谱也称为分子指纹谱。根据太赫兹波谱的分子指纹特性可以分析研究物质成分、微观结构及其相互作用关系。

太赫兹

图片展示了两种不同的太赫兹透射光谱,可以看出,各自都有大量的特征吸收峰,将被测物质吸收峰的峰位及强度通过与标准谱对比,很容易能够辨识出物质种类。

透视特性
       根据已有的研究结果,太赫兹辐射对有极电介质、无极电介质及金属导体的透射性有很大区别。有极电介质存在等效的电偶极矩,金属导体内部则存在大量自由移动的电荷,两者与太赫兹波相互作用时会出现共振吸收,因此太赫兹波对这两种物质的穿透性很低。而无极电介质对太赫兹波不会产生共振吸收效应,从而具有很强的穿透性。

由此太赫兹成像可以将不同的材质加以区分。很多包装材料如塑料、纸箱、布料、木材等都属于无极电介质,但它们对可见光都是不透明的。故可结合相应技术对不透明的物体进行太赫兹透视成像,作为X射线和超声等成像技术的补充,探测材料内部缺陷和密封包装内的物品。

透视特性

安全特性
       根据公式 ε=hν,太赫兹波的光子能量只有毫电子伏特的数量级。例如频率为1THz的光子能量为4.1meV,约为X射线光子能量的百万分之一。该能量远低于各种化学键的键能,不会对物体尤其是生物组织引起有害的电离反应。

由于水是极性物质,所以水对太赫兹波有强烈的吸收,因此太赫兹辐射无法穿透人体的皮肤,对人体的影响只停留在皮肤表层,非常适用于针对人体或其他生物体的活体检测。

安全特性

太赫兹技术
       太赫兹光谱技术

       由于太赫兹光谱的分子指纹特性,故可利用其研究物质的化学物理性质。将太赫兹脉冲入射到样品表面后,采集透射谱或反射谱,便可以获得与物质作用后的太赫兹信号的振幅和相位信息。然后通过傅里叶变换进行相关计算,可以得到样品的光谱信息、吸收系数、折射率等参数。分析这些参数,就能获知样品的组成元素、内部构造等相关信息。

太赫兹成像技术
       太赫兹成像是将已知波形的太赫兹波作为成像射线,通过物质反射或透射获取相应强度及相位信息,并经过适当的数字处理和频谱分析,得到目标物体的太赫兹电磁波图像。太赫兹光谱图像不仅包含物质的外观几何信息,而且还包含物质对太赫兹脉冲响应的理化信息。通过对光谱信息进行分析计算,能够得到物质各个像素点上的相关光学参数,为物质成分鉴定、化学结构分析提供了必要的参考。

太赫兹通信技术
       太赫兹波处于电子学向光子学过渡的领域,它集合了微波通信与光通信的优点。太赫兹波作为微波的延伸,它所提供的通信带宽远大于微波,传输容量更大,速度更快,这是太赫兹通信的最大优势。此外太赫兹由于波束窄,所以方向性更好,可以实现更好的保密性及抗干扰抗截获能力。

相对光通信而言,太赫兹波的传输受烟雾、沙尘等恶劣环境的影响很小。此外,太赫兹波的波长较短,因而天线可以做得非常小,能够将设备做成纳米级别,实现纳米级设备之间的通信。

OBE太赫兹
       OBE太赫兹是由OBE集团投资成立,与首都师范大学“光电子学教育部重点实验室”建立了战略合作关系,双方合作成立了“OBE太赫兹技术研究中心”,打造了一直由国内外人士组成的研发团队,将团队数十年的太赫兹研发成果应用于安全、医疗、无损等诸多领域。

OBE

OBE在太赫兹技术应用领域不断探索与实践,以市场需求为产品开发方向。目前已开发了包括太赫兹、毫米波人体安检设备系列产品,并结合潜在情绪智能分析系统,着力于为海关、机场、边检、轨道交通、商业楼宇等领域提供智能安检解决方案。

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