首款國產太赫茲成像芯片發佈

新華社報道，一枚米粒大小的太赫茲芯片，卻能在人體安檢儀中發揮出巨大功能。記者23日從中國電子科技集團獲悉，由中國電科13所研製的首款國產太赫茲成像芯片在首屆數字中國建設峯會上正式發佈。因爲人體自身輻射的太赫茲波信號極其微弱，所以要求太赫茲芯片具有超高靈敏度、超低噪聲以及超寬頻帶特性，才能將人體輻射的微弱信號檢測出來，從而達到成像的目的

太赫茲 編輯

太赫茲（Tera Hertz，THz）是波動頻率單位之一，又稱爲太赫，或太拉赫茲。等於1,000,000,000,000Hz，一般用於表示電磁波頻率。 太赫茲是一種新的、有不少獨特優勢的輻射源；太赫茲技術是一個很是重要的交叉前沿領域，給技術創新、國民經濟發展和國家安全提供了一個很是誘人的機遇。 [1]

中文名 太赫茲 外文名 terahertz

簡 稱 THz 實 質 頻率單位 用於表示 電磁波頻率

目錄

1 歷史
2 定義

3 特色
4 應用

5 前景
6 技術突破

歷史 編輯 早期太赫茲在不一樣的領域有不一樣的名稱，在光學領域被稱爲遠紅外，而在電子學領域，則稱其爲亞毫米波、超微波等。在20世紀80年代中期以前，太赫茲波段兩側的紅外和微波技術發展相對比較成熟，可是人們對太赫茲波段的認識仍然很是有限，造成了所謂的「THz　Gap」。 　　2004年，美國政府將THz科技評爲「改變將來世界的十大技術」之一，而日本於2005年1月8日更是將THz技術列爲「國家支柱十大重點戰略目標」之首，舉全國之力進行研發。 我國政府在2005年11月專門召開了「香山科技會議」，邀請國內多位在THz研究領域有影響的院士專門討論我國THz事業的發展方向，並制定了我國THz技術的發展規劃。目前國內已經有多家研究機構開展太赫茲領域的相關研究，其中首都師範大學，是入手較早，投入較大的一家，而且在毒品和炸藥太赫茲光譜、成像和識別方面，利用太赫茲對非極性航天材料內部缺陷進行無損檢測方面作出了許多開拓性的工做，同時因爲太赫茲射線在安全檢查方面的獨特優點，首都師範大學太赫茲實驗室正集中力量研發可以用於實景測試的安檢原型設備。另外，美國、歐洲、亞洲、澳大利亞等許多國家和地區政府、機構、企業、大學和研究機構紛紛投入到THz的研發熱潮之中。THz研究領域的開拓者之一，美國著名學者張希成博士稱：「Next ray，T-Ray ！」。 定義 編輯 THz波（太赫茲波）包含了頻率爲0.1到10THz的電磁波。該術語適用於從電磁輻射的毫米波波段的高頻邊緣（300 GHz）和低頻率的遠紅外光譜帶邊緣（3000 GHz）之間的頻率，對應的波長的輻射在該頻帶範圍從0.03mm到3mm（或30~3000μm）。 特色 編輯 人們關注THz技術的緣由是THz射線廣泛存在，是人們認識天然界的有效線索和工具。可是相對於其餘波段的電磁波好比紅外和微波，對它的認識和應用很是匱乏。其次，THz射線有它自身的特色。 THz 脈衝的典型脈寬在皮秒量級，不但能夠方便地進行時間分辨的研究，並且經過取樣測量技術，可以有效地抑制遠紅外背景噪聲的干擾。目前，脈衝THz 輻射一般只有較低的THz 射線平均功率，可是因爲THz 脈衝有很高的峯值功率，而且採用相干探測技術得到的是THz 脈衝的實時功率而不是平均功率，所以有很高的信噪比。目前，在時域光譜系統中的信噪比可達10^5或更高。 THz 脈衝源一般只包含若干個週期的電磁振盪，單個脈衝的頻帶能夠覆蓋從GHz 直至幾十THz 的範圍，許多生物大分子的振動和轉動能級，電介質、半導體材料、超導材料、薄膜材料等的聲子振動能級落在THz 波段範圍。所以THz 時域光譜技術做爲探測材料在THz 波段信息的一種有效的手段，很是適合於測量材料吸取光譜，可用於進行定性鑑別的工做。 THz 光子的能量低，頻率爲1THz的光子能量只有約4毫電子伏特，所以不容易破壞被檢測物質。 許多的非金屬非極性材料對THz 射線的吸取較小，所以結合相應的技術，使得探測材料內部信息成爲可能。例如，陶瓷，硬紙板，塑料製品，泡沫等對THz 電磁輻射是透明的，所以THz 技術能夠做爲x射線的非電離和相干的互補輻射源，用於機場、車站等地方的安全監測，好比探查隱藏的走私物品包括槍械、爆炸物、和毒品等，以及用於集成電路焊接狀況的檢測等。極性物質對THz 電磁輻射的吸取比較強，特別是水，THz 光譜技術中應採起各類措施避免水分的影響，不過在THz 成像技術中，能夠利用這一特性分辨生物組織的不一樣狀態，好比動物組織中脂肪和肌肉的分佈，診斷人體燒傷部位的損傷程度，及植物葉片組織的水分含量分佈等。太赫茲成像技術與其餘波段的成像技術相比，它所獲得的探測圖像的分辨率和景深都有明顯的增長（超聲、紅外、X－射線技術也能提升圖像分辨率，可是毫米波技術卻沒有明顯的提升）。另外太赫茲技術還有許多獨特的特性，如在非均勻的物質中有較少的散射，可以探測和測量水汽含量等等。 太赫茲光譜技術不只信噪比高，可以迅速地對樣品組成的細微變化做出分析和鑑別，並且太赫茲光譜技術是一種非接觸測量技術，使它可以對半導體、電介質薄膜及體材料的物理信息進行快速準確的測量。鑑於THz射線的特色，必將給通訊、雷達、天文、醫學成像、生物化學物品鑑定、材料學、安全檢查等領域帶來深遠的影響，進而改變人們的生產生活。 應用 編輯 太赫茲成像技術和太赫茲波譜技術由此構成了太赫茲應用的兩個主要關鍵技術。同時，因爲太赫茲能量很小，不會對物質產生破壞做用，因此與X射線相比更具備優點。 THz時域光譜技術 目前已經開始商業化運做，世界範圍內已經有多家企業開始生產商用THz時域光譜儀，主要是中國，美國，歐洲和日本的廠家。THz時域光譜技術的基本原理是利用飛秒脈衝產生並探測時間分辨的THz電場，經過傅立葉變換得到被測物品的光譜信息，因爲大分子的振動和轉動能級大多在THz波段，而大分子，特別是生物和化學大分子是具備自己物性的物質集團，進而能夠經過特徵頻率對物質結構、物性進行分析和鑑定。一個比較重要的應用能夠做爲藥品質量監管。設想一下製藥廠的流水線上安裝一臺THz時域光譜儀，從藥廠出廠的每一片藥都進行光譜測量，並與標準的藥物進行光譜對比，合格的將進入下一個環節，不然在流水線上將劣質藥片清除掉，避免不一樣藥片或不一樣批次藥片的品質差別，保證藥品的品質。 THz成像技術 跟其餘波段的成像技術同樣，THz成像技術也是利用THz射線照射被測物，經過物品的透射或反射得到樣品的信息，進而成像。THz成像技術能夠分爲脈衝和連續兩種方式。前者具備THz時域光譜技術的特色。同時它能夠對物質集團進行功能成像，得到物質內部的折射率分佈。例如葵花籽能夠和容易得到葵花子的內部信息。圖3-4 給出了葵花籽樣品的實物照片和相應方法重構的THz 透射圖像，能清晰地分辨果殼的輪廓和隱藏在果殼中果仁的形狀，這是最但願的。一樣，若是樣品是人的牙齒，那麼牙齒的正常部分與損蛀部分將很容易的區分開，同時沒必要照射x射線，對人體沒有附加傷害。 安全檢查 利用安全檢查應該說是現階段最吸引人的THz技術，它的本質原理是THz成像，目前因爲目前主要採用連續波THz源，並且又因爲它要解決的是目前最受人關注的反恐、緝毒等最讓人關注的問題，因此單列出來。目前英國發展的THz安檢設備已經進入試用階段。因爲THz射線的穿透性和對金屬材料的強反射特性，而且THz的高頻率使得成像的分辨率更高，因此能夠很容易看到隱藏在衣物、鞋內的刀具、槍械等物品。同時若是結合THz的物質鑑別特性，可以區分你身上是否攜帶炸藥或毒品。首都師範大學THz實驗室已經創建了常見的炸藥和毒品的數據譜庫，能夠設想再過幾年，能夠真正在機場見到真正的THz安檢的設備。另外，世界範圍內引發社會動盪的自殺式炸彈恐怖襲擊，也能夠利用THz安檢設備進行防範。由於站崗的能夠再也不是士兵或保安人員，而是THz安檢儀，人們不須要靠近可疑分子就能夠對其進行檢查。 THz雷達 實際上也是成像的一種。鑑於大氣中水分對THz射線的強吸取做用，因此近距離雷達是THz射線的優點所在。一個很是讓人嚮往的應用是穿牆雷達和探雷雷達，固然也能夠用於抗震救災中遇難者的搜救，目前還處於研發階段。這是因爲牆壁，木材等材料對THz透過，而人體包含大量水分，不透過THz，所以能夠透過牆壁偵查到屋內的人員的分佈和活動，將反恐怖反綁架起到深遠的影響，同理也能夠用於廢墟下人體的尋找。而探雷雷達是因爲地雷通常在地表或地表附近，而乾燥的泥土能夠透過THz射線，而地雷將會把THz射線反射回來，從而能夠發現目標。 天文學 在宇宙中，大量的物質在發出THz電磁波。 炭（C）、水（H2O）、一氧化碳（CO）、氮（N2）、氧（O2）等大量的分子能夠在THz頻段進行探測。而這些物質在應用THz技術之前一部分根本沒法探測而另外一部分只能在海拔很高或者月球表面才能夠探測到。 通訊技術 THz用於通訊能夠得到10GB/s的無線傳輸速度，特別是衛星通訊，因爲在外太空，近似真空的狀態下，不用考慮水分的影響，這比當前的超寬帶技術快幾百至一千多倍。這就使得THz通訊能夠以極高的帶寬進行高保密衛星通訊。雖然因爲缺少高效的THz發射天線和源，使其還沒法在通訊領域商業化，但這必將由新型的發射裝置和發射源所解決 。 太赫茲輻射 德國研究人員利用超級計算機計算髮現，利用強烈的太赫茲輻射，可實如今不到萬億分之一秒內瞬間將微量水燒開。 太赫茲輻射是指頻率從0．1太赫茲到10太赫茲，波長介於毫米波與紅外線之間的電磁輻射區域。一太赫茲等於一萬億赫茲。 德國電子同步加速器研究所報告說，強烈的太赫茲輻射可引起水分子劇烈震動，打斷水分子間的氫鍵。這種方法可將約一納升（十億分之一升）水在半皮秒（一皮秒爲一萬億分之一秒）內加熱至600攝氏度。 報告指出，一納升水雖然聽起來很少，但對不少實驗來說已經足夠。一皮秒比一眨眼的時間還要快不少，所以這種燒開水的方法可稱得上是迄今最快的。 雖然這一「燒水」法還沒有投入實踐，但研究人員表示，水在許多化學與生物過程當中扮演重要角色，新發現或可爲化學與生物領域提供更多實驗可能。 [2] 生物醫學 中國工程院院士杜祥琬院士指出，在全部物理技術中，電磁波技術對醫學的促進做用尤爲突出。從1901年X線得到第一屆諾貝爾物理學獎開始，已有5項與生物醫學相關的諾貝爾獎授予了X光譜技術領域。 太赫茲技術在生物醫學方面的應用，生物大分子相互做用是重大生命現象與病變產生的關鍵動因，而太赫茲光子能量覆蓋了生物大分子空間構象的能級範圍。該頻段包含了其餘電磁波段沒法探測到的直接表明生物大分子功能的空間構象等重要信息。所以，能夠發展一種利用太赫茲探測和干預生物大分子相互做用過程的新理論和新技術，爲當前重大疾病診斷、有效干預提供先進的技術手段。 中國工程物理研究院流體物理研究所李澤仁研究員也表示，目前經過國家對太赫茲源、探測器及成像系統等關鍵技術與儀器設備的大力支持，我國已基本具有開展太赫茲生物醫學研究的基礎。 [3] 其餘 此外，太赫茲在半導體材料、高溫超導材料的性質研究等領域也有普遍的應用。研究該頻段不只將推進理論研究工做的重大發展，並且對固態電子學和電路技術也將提出重大挑戰。 目前，籠統的說THz技術的研究主要圍繞三大部份內容展開，THz產生源、THz探測和應用研究。目前最大的困難仍是沒有高功率便攜式連續可調的成本較低的THz發射源和知足現實要求的濾光片，另外也沒有可以常溫下直接探測太赫茲射線的被動式探測器。 前景 編輯 太赫茲的獨特性能給通訊（寬帶通訊）、雷達、電子對抗、電磁武器、天文學、醫學成像（無標記的基因檢查、細胞水平的成像）、無損檢測、安全檢查（生化物的檢查）等領域帶來了深遠的影響。因爲太赫茲的頻率很高，因此其空間分辨率也很高；又因爲它的脈衝很短（皮秒量級）因此具備很高的時間分辨率。 技術突破 編輯 2016年10月28日消息，中國航天科工集團23所已得到中國首幅太赫茲波段外場SAR圖像，太赫茲波段雷達成像關鍵技術取得突破性成果。經過首幅太赫茲波段外場SAR圖像，主要技術指標和成像算法獲得了試驗驗證，爲太赫茲雷達工程應用奠基了技術基礎。不過，因爲高功率太赫茲輻射源發展水平的限制，太赫茲雷達系統成像目前尚沒法徹底知足實際應用需求。 [4]