Teknologi Terahertz dan aplikasinya

T-ray adalah teknik yang menggunakan gelombang terahertz, yang dikenali sebagai sains terahertz, untuk mengkaji segmen gelombang z elektrik yang boleh "melihat melalui" banyak. Lebih dari 100 tahun yang lalu, terahertz disebut dalam astronomi inframerah, tetapi jarang disentuh dalam penyelidikan sains dan hal ehwal sivil. Di dalam ketuhar gelombang mikro, teknologi cahaya dan inframerah boleh dilihat secara meluas, sebab utama pembangunan terahertz yang ketinggalan terletak pada kekurangan pengesan dan sumber, sehingga 10 tahun kebelakangan ini, dengan peningkatan kaedah penyelidikan, orang dalam penyelidikan ini bidang mempunyai perkembangan yang lebih besar. Pada masa ini, kajian terahertz telah berkembang menjadi bidang baru, dan kajian terahertz telah berkembang dari tiga unit 20 tahun yang lalu kepada lebih daripada 200 unit di seluruh dunia.

Gelombang Terahertz adalah gelombang elektromagnet dengan frekuensi antara 0.1THz hingga 10.0THz. Ia mempunyai banyak sifat yang luar biasa dan dinilai oleh Amerika Syarikat sebagai salah satu daripada "10 teknologi teratas yang akan mengubah dunia masa depan." Spektroskopi Terahertz, pengimejan terahertz dan komunikasi terahertz adalah tiga arahan penyelidikan utama. Ia mempunyai aplikasi penting dalam banyak bidang saintifik seperti pemeriksaan keselamatan, pengesanan yang tidak membahayakan, astrofizik, biologi, perubatan, fizik atmosfera, ekologi alam sekitar dan sains ketenteraan. Diod Schottky dengan frekuensi potongan yang tinggi dapat merealisasikan pencampuran, pengesanan dan penggandaan gelombang terahertz pada suhu bilik. Di samping itu, kesedaran litar terahertz pada substrat kerugian rendah adalah asas teknologi terahertz.

Gelombang THZ ialah 10 kekerapan frekuensi THZ dari 0.1 T hingga (dalam 3 mm panjang gelombang hingga 30 um) dari spektrum elektromagnet, di antara gelombang milimeter dan cahaya inframerah, setakat ini belum lagi kognisi manusia dan penggunaan sumber spektrum, dijangka untuk menjadi komunikasi (komunikasi jalur lebar, radar, tindak balas elektronik, senjata elektromagnetik membawa perubahan mendalam, pemeriksaan keselamatan, dll.

Ciri-ciri unik Terahertz untuk komunikasi (komunikasi jalur lebar, radar, tindak balas elektronik, senjata elektromagnetik, astronomi, pengimejan perubatan (tidak ada penanda gen pemeriksaan pengimejan, tahap selular), ujian tidak membahayakan, pemeriksaan keselamatan (pemeriksaan biokimia) Pengaruh yang mendalam Oleh kerana frekuensi tinggi terahertz, resolusi spatialnya juga tinggi dan ia juga mempunyai resolusi masa yang tinggi kerana nadi pendeknya (berdasarkan urutan picosecond). Pengimejan Terahertz dan spektroskopi terahertz adalah dua teknologi utama untuk aplikasi terahertz Pada masa yang sama, kerana terahertz adalah kecil dalam tenaga dan tidak memusnahkan perkara, ia mempunyai kelebihan berbanding x-ray. Di samping itu, kerana getaran makromolekul biologi dan frekuensi resonans frekuensi putaran berada dalam gelombang gelombang THZ, maka terahertz dalam pemilihan makanan, pilihan strain halus dan industri pemprosesan makanan dan pertanian lain mempunyai aplikasi yang baik p roma. Penerapan terahertz masih dalam perkembangan dan penyelidikan yang berterusan, dan prospek saintifiknya yang luas diiktiraf di seluruh dunia.

Selepas lebih daripada satu dekad penyelidikan, komuniti saintifik antarabangsa telah mengiktiraf sains dan teknologi THz sebagai perbatasan silang yang sangat penting. THz mempunyai resolusi spatial yang tinggi kerana frekuensi tinggi (panjang gelombang lebih daripada 1000 lebih kecil daripada gelombang mikro). Kerana denyutan nadi adalah pendek (femtosecond), radiasi THZ mempunyai resolusi temporal yang tinggi. Pengimejan THZ dan spektroskopi THZ adalah dua teknologi utama dalam aplikasi THz. Sebaliknya, tenaga THZ adalah kecil, ia tidak memusnahkan sesuatu, jadi ia mempunyai kelebihan besar berbanding x-ray.

Terahertz tidak dapat menggantikan sinar-x, tetapi ia mempunyai beberapa kelebihan yang tidak boleh dilakukan sinar-x. X-ray dan ultrasound boleh mencari garis besar dan keadaan objek, tetapi tidak dapat mengesan sifat-sifat kimia objek, tidak dapat membezakan perbezaan antara bahan peledak dan dadah, namun terahertz mempunyai kemampuan, perjuangan antarabangsa terhadap keganasan adalah pentingnya. Terahertz telah mengenal pasti lebih daripada 50 daripada ratusan jenis bahan letupan dan lombong yang kini dicipta oleh manusia. Perkembangan terbaru adalah sekitar 30 meter, dan terahertz dapat melihat letupan dengan tepat. Sudah tentu, 30 meter bukan jarak yang jauh, tetapi ia merupakan aset yang bernilai, unik berbanding dengan langkah keselamatan yang lain.

Terahertz masa depan akan memperluaskan skop aplikasi empat aspek berikut, satu adalah kajian sifat material, terutama molekul cahaya dan semikonduktor, ciri-ciri penyelidikan superkonduktor suhu tinggi adalah bidang aplikasi spektroskopi terahertz yang lain, yang kedua adalah pengimejan THZ dan teknologi pencitraan ct, tiga adalah penyelidikan dalam bidang sains biologi dan perubatan, termasuk dari diagnosis kanser untuk analisis genetik, dan lain-lain. Kajian terkini mendapati bahawa orang sering minum kopi jika bertemu dengan ubat-ubatan tertentu, ia mungkin menjadi "racun ", dan penggunaan teknologi terahertz, akan menjadi farmakologi, diagnosis awal kanser, dan lain-lain, kemungkinan terobosan baru.

Kaedah penyelidikan saintifik yang baru dan baru

(1) Pengimejan THZ dan spektroskopi THz mempunyai aplikasi yang sangat penting dalam fizik, kimia, sains bioperubatan, astronomi, sains bahan dan sains alam sekitar.

(2) bukan sahaja dapat pencitraan gelombang THZ dan boleh bertindak sebagai penyelidikan khas dan berkesan, untuk menjalankan penyelidikan menyeluruh terhadap bahan di dalam, mengenai kimia fizikal dan komposisi biologi, ciri spektrum, penanda THz, proses interaksi kuantum, dan maklumat penting lain.

Sebagai contoh: menggunakan penyelidikan THz CdSe resolusi temporal tinggi fenomena peralihan kuantum optik, penyelidikan Ti02 nanometer kisi pengangkut dalam proses pengangkutan, dan kawalan penyelidikan atom / molekul tiada lonjakan radiasi kuantum, dan lain-lain adalah hasil baru yang penting telah dicapai. Pencapaian besar telah dibuat dalam optik kuantum THz, aplikasi komputer kuantum dan radiasi THz semikonduktor di bawah medan magnet yang kuat.

Gunakan kuasa yang kuat Radiasi THz boleh merangsang proses dalaman dinamik bukan linear atom dan molekul, dan dengan itu daya tinggi ultrashort berdenyut THz boleh mengkaji ciri-ciri tidak linear bahan di peringkat molekul.

(3) THz juga mempunyai kelebihan penting dalam pengesanan plasma. Taburan ketumpatan pada suhu tinggi dan plasma ketumpatan tinggi dapat dikesan oleh radiasi THZ. THz menonjolkan aplikasi dalam penyelidikan astronomi, saintis di stesen Pole Selatan menubuhkan sebuah astronomi mudah alih, menggunakan teleskop THZ yang mengamati banyak bintang baru yang penting, untuk mempelajari asal-usul alam semesta dan pembentukan bintang-bintang mempunyai kepentingan penting, adalah bernilai menyebutkan pada awal tahun 2005 di China, juga menubuhkan stesen penyelidikan di Antartika).

Teknologi THZ akan memainkan peranan penting dalam mempromosikan pembangunan ekonomi negara

(1) penggunaan THZ dalam sains bioperubatan sangat menarik. Dalam diagnosis dan rawatan kanser kulit, pengesanan DNA, aplikasi perubatan THz THz kesalahan pengimejan, THz yang digunakan biokimia, analisis dadah dan pengesanan, dan lain-lain, semua menunjukkan ciri-ciri dan keputusan yang kuat.

Teknologi diagnosis biomolekul THz boleh ditubuhkan berdasarkan kajian ciri protein dan gen.

Oleh itu, ia dapat menggalakkan perkembangan biologi molekul, dan mempunyai prospek aplikasi yang hebat dalam rawatan perubatan dan penyelidikan dan pengenalan dadah.

(2) disebabkan oleh kekerapan putaran getaran dan makromolekul biologi dalam gelombang gelombang THZ, dan teknologi radiasi THz boleh mengeluarkan maklumat penting DNA, sebagai hasilnya, THz dalam tumbuhan, terutamanya pemilihan makanan, pilihan strain cemerlang boleh memainkan peranan penting. Dalam kata-kata, sains dan teknologi terahertz sangat penting untuk pertanian, pemprosesan makanan dan industri lain.

THz mempunyai aplikasi yang luas dalam bioperubatan. Angka berikut menunjukkan diagnosis dan penggunaan kanser kulit di THz.

(3) Radiasi THZ boleh menembusi asap dan mengesan molekul beracun atau berbahaya, supaya ia dapat memainkan peranan penting dalam pemantauan dan perlindungan alam sekitar. Dilaporkan bahawa THZ peralatan pemantauan alam sekitar (2.5thz dihasilkan menggunakan laser CO2 sebagai sumber pam) telah dipasang pada kami satelit.

THz mempunyai kelebihan unik dalam penggunaan keselamatan negara dan anti-keganasan

(1) menggunakan harta benda yang THZ dapat menembusi bahan-bahan, British pertama membangunkan kamera THZ dan telah diuji dalam bidang pemeriksaan keselamatan lapangan terbang, dengan hasil yang baik. Khususnya, ORNL sedang bekerjasama dengan universiti Tennessee di Program Dinding Melalui, yang menggunakan pencitraan THz untuk mendapatkan maklumat dari luar. Jelas, teknik ini mempunyai nilai penting dalam keselamatan negara

Di samping itu, penggunaan spektroskopi THz boleh mengesan dan mengenal pasti ubat dengan cepat dan berkesan. Amerika Syarikat telah melaksanakan projek-projek seperti penggunaan spektroskopi THZ untuk memeriksa surat, termasuk pengesanan bahan kimia THz dan produk biologi.

(2) THz juga mempunyai potensi besar dalam aplikasi radar dan komunikasi. Tidak ada keraguan tentang kelebihan THz dalam komunikasi ruang angkasa. Tingkap atmosfera THZ juga telah dikaji (angka 6). Radar THZ mempunyai fungsi khas dalam anti-stealth. Laporan berikut menangani masalah kuasa tinggi sumber radiasi THZ, yang disediakan untuk radar THZ dan lain-lain. Pengimejan ruang satelit THz dan teknologi komunikasi mungkin menjadi bidang penting untuk kuasa masa depan.

(3) THz digunakan untuk mengesan kemungkinan kegagalan ruang angkasa

Tidak lama selepas kemalangan pesawat ruang angkasa Columbia, analisis penyebab kemalangan itu dibentangkan berdasarkan rakaman video dari pelancaran pesawat ulang-alik. Makmal Amerika telah menjalankan eksperimen. Kekerapan pusat nadi THZ adalah lTHz dan lebar jalurnya adalah 3THz. Melalui beberapa eksperimen, terutamanya pengesanan kejayaan lapisan busa penebat PAL ~ Ramp SOFI, nadi THz boleh melakukan pemeriksaan spektrum yang tidak berkesan secara destruktif. Program angkasa kami tentu memerlukan teknologi sedemikian.

Sains dan teknologi THZ adalah asas generasi baru industri IT

(1) saintis mengharapkan THz menjadi sangat berdaya saing dalam sains IT, teknologi dan industri moden sekali sumber radiasi THZ dan teknologi pengesanan THZ dikembangkan. Pertandingan ini sebenarnya telah bermula.

(2) dengan perkembangan sains dan teknologi THz, banyak syarikat berteknologi tinggi telah dilahirkan, misalnya: makmal nasional Rultherford (Rutherford Appleton Lab (RAL)) dan agensi ruang angkasa Eropah (ESA) pada tahun 2002, eksekutif Star Ti ger selepas kejayaan rancangan itu, menubuhkan sebuah syarikat ThruVision syarikat, yang mengkhususkan diri dalam kerja itu, pengkomersialan pengimejan THz yang dibangunkan pengimejan THz pasif, mempunyai ciri-ciri berikut: a. Pasif tidak memerlukan sumber THz; B. Pengimejan masa nyata. Universiti Cambridge telah melahirkan TeraView Ltd, sebuah syarikat berteknologi tinggi bernama Spinoff. Terlibat dalam pembangunan kamera THZ;

(3) Picometrix diinkubasi di universiti universiti Michigen dan Stanford. Physicalscience Inc. Calabazas Creek Res. Inc. Syarikat-syarikat seperti. Picometrix, berpangkalan di California, ditugaskan dengan "menyerahkan sains dan teknologi THZ kepada kerajaan dan universiti LABS supaya mereka boleh digunakan untuk kerja penyelidikan".

(4) terdapat juga banyak syarikat di Jepun, yang telah terlibat dalam penyelidikan, pembangunan dan pengkomersialan sains dan teknologi THZ, termasuk sumber kuasa THz yang tinggi. IT dapat dilihat bahawa generasi baru industri IT berdasarkan sains dan teknologi THz telah mula terbentuk secara beransur-ansur.

Kajian teknologi THZ itu sendiri adalah subjek penting

Seperti mekanisme generasi pelbagai radiasi THz, penyebaran dan penghantaran THZ nadi ultra-singkat, interaksi antara THZ dan perkara, dll.

Berikut adalah beberapa gambarajah blok struktur THz imaging dan spektrum THz. Salah satunya ialah gambarajah blok imej THZ 150-mikron yang dibangunkan oleh JPL. Pengembangan dan penggunaan pengimejan THZ dan spektrum THz boleh dilihat dari rajah blok ini.

Pada masa yang sama juga dapat melihat bahawa untuk mewujudkan pengimejan THZ dan spektrum THZ perlu mengkaji apa peranti dan komponen THZ, seperti: sumber THz, pengesanan THz, pencampuran, transmisi THz, resonan, dan lain-lain, untuk membentuk sistem yang lengkap pengimejan THz dan spektrum THz. Dari bahagian seterusnya, kami akan membincangkan peranti dan komponen ini.