首款国产太赫兹成像芯片发布

新华社报道，一枚米粒大小的太赫兹芯片，却能在人体安检仪中发挥出巨大功能。记者23日从中国电子科技集团获悉，由中国电科13所研制的首款国产太赫兹成像芯片在首届数字中国建设峰会上正式发布。因为人体自身辐射的太赫兹波信号极其微弱，所以要求太赫兹芯片具有超高灵敏度、超低噪声以及超宽频带特性，才能将人体辐射的微弱信号检测出来，从而达到成像的目的

太赫兹 编辑

太赫兹（Tera Hertz，THz）是波动频率单位之一，又称为太赫，或太拉赫兹。等于1,000,000,000,000Hz，一般用于表示电磁波频率。 太赫兹是一种新的、有不少独特优势的辐射源；太赫兹技术是一个很是重要的交叉前沿领域，给技术创新、国民经济发展和国家安全提供了一个很是诱人的机遇。 [1]

中文名 太赫兹 外文名 terahertz

简 称 THz 实 质 频率单位 用于表示 电磁波频率

目录

1 历史
2 定义

3 特色
4 应用

5 前景
6 技术突破

历史 编辑 早期太赫兹在不一样的领域有不一样的名称，在光学领域被称为远红外，而在电子学领域，则称其为亚毫米波、超微波等。在20世纪80年代中期以前，太赫兹波段两侧的红外和微波技术发展相对比较成熟，可是人们对太赫兹波段的认识仍然很是有限，造成了所谓的“THz　Gap”。 　　2004年，美国政府将THz科技评为“改变将来世界的十大技术”之一，而日本于2005年1月8日更是将THz技术列为“国家支柱十大重点战略目标”之首，举全国之力进行研发。 我国政府在2005年11月专门召开了“香山科技会议”，邀请国内多位在THz研究领域有影响的院士专门讨论我国THz事业的发展方向，并制定了我国THz技术的发展规划。目前国内已经有多家研究机构开展太赫兹领域的相关研究，其中首都师范大学，是入手较早，投入较大的一家，而且在毒品和炸药太赫兹光谱、成像和识别方面，利用太赫兹对非极性航天材料内部缺陷进行无损检测方面作出了许多开拓性的工做，同时因为太赫兹射线在安全检查方面的独特优点，首都师范大学太赫兹实验室正集中力量研发可以用于实景测试的安检原型设备。另外，美国、欧洲、亚洲、澳大利亚等许多国家和地区政府、机构、企业、大学和研究机构纷纷投入到THz的研发热潮之中。THz研究领域的开拓者之一，美国著名学者张希成博士称：“Next ray，T-Ray ！”。 定义 编辑 THz波（太赫兹波）包含了频率为0.1到10THz的电磁波。该术语适用于从电磁辐射的毫米波波段的高频边缘（300 GHz）和低频率的远红外光谱带边缘（3000 GHz）之间的频率，对应的波长的辐射在该频带范围从0.03mm到3mm（或30~3000μm）。 特色 编辑 人们关注THz技术的缘由是THz射线广泛存在，是人们认识天然界的有效线索和工具。可是相对于其余波段的电磁波好比红外和微波，对它的认识和应用很是匮乏。其次，THz射线有它自身的特色。 THz 脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但能够方便地进行时间分辨的研究，并且经过取样测量技术，可以有效地抑制远红外背景噪声的干扰。目前，脉冲THz 辐射一般只有较低的THz 射线平均功率，可是因为THz 脉冲有很高的峰值功率，而且采用相干探测技术得到的是THz 脉冲的实时功率而不是平均功率，所以有很高的信噪比。目前，在时域光谱系统中的信噪比可达10^5或更高。 THz 脉冲源一般只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带能够覆盖从GHz 直至几十THz 的范围，许多生物大分子的振动和转动能级，电介质、半导体材料、超导材料、薄膜材料等的声子振动能级落在THz 波段范围。所以THz 时域光谱技术做为探测材料在THz 波段信息的一种有效的手段，很是适合于测量材料吸取光谱，可用于进行定性鉴别的工做。 THz 光子的能量低，频率为1THz的光子能量只有约4毫电子伏特，所以不容易破坏被检测物质。 许多的非金属非极性材料对THz 射线的吸取较小，所以结合相应的技术，使得探测材料内部信息成为可能。例如，陶瓷，硬纸板，塑料制品，泡沫等对THz 电磁辐射是透明的，所以THz 技术能够做为x射线的非电离和相干的互补辐射源，用于机场、车站等地方的安全监测，好比探查隐藏的走私物品包括枪械、爆炸物、和毒品等，以及用于集成电路焊接状况的检测等。极性物质对THz 电磁辐射的吸取比较强，特别是水，THz 光谱技术中应采起各类措施避免水分的影响，不过在THz 成像技术中，能够利用这一特性分辨生物组织的不一样状态，好比动物组织中脂肪和肌肉的分布，诊断人体烧伤部位的损伤程度，及植物叶片组织的水分含量分布等。太赫兹成像技术与其余波段的成像技术相比，它所获得的探测图像的分辨率和景深都有明显的增长（超声、红外、X－射线技术也能提升图像分辨率，可是毫米波技术却没有明显的提升）。另外太赫兹技术还有许多独特的特性，如在非均匀的物质中有较少的散射，可以探测和测量水汽含量等等。 太赫兹光谱技术不只信噪比高，可以迅速地对样品组成的细微变化做出分析和鉴别，并且太赫兹光谱技术是一种非接触测量技术，使它可以对半导体、电介质薄膜及体材料的物理信息进行快速准确的测量。鉴于THz射线的特色，必将给通讯、雷达、天文、医学成像、生物化学物品鉴定、材料学、安全检查等领域带来深远的影响，进而改变人们的生产生活。 应用 编辑 太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术由此构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。同时，因为太赫兹能量很小，不会对物质产生破坏做用，因此与X射线相比更具备优点。 THz时域光谱技术 目前已经开始商业化运做，世界范围内已经有多家企业开始生产商用THz时域光谱仪，主要是中国，美国，欧洲和日本的厂家。THz时域光谱技术的基本原理是利用飞秒脉冲产生并探测时间分辨的THz电场，经过傅立叶变换得到被测物品的光谱信息，因为大分子的振动和转动能级大多在THz波段，而大分子，特别是生物和化学大分子是具备自己物性的物质集团，进而能够经过特征频率对物质结构、物性进行分析和鉴定。一个比较重要的应用能够做为药品质量监管。设想一下制药厂的流水线上安装一台THz时域光谱仪，从药厂出厂的每一片药都进行光谱测量，并与标准的药物进行光谱对比，合格的将进入下一个环节，不然在流水线上将劣质药片清除掉，避免不一样药片或不一样批次药片的品质差别，保证药品的品质。 THz成像技术 跟其余波段的成像技术同样，THz成像技术也是利用THz射线照射被测物，经过物品的透射或反射得到样品的信息，进而成像。THz成像技术能够分为脉冲和连续两种方式。前者具备THz时域光谱技术的特色。同时它能够对物质集团进行功能成像，得到物质内部的折射率分布。例如葵花籽能够和容易得到葵花子的内部信息。图3-4 给出了葵花籽样品的实物照片和相应方法重构的THz 透射图像，能清晰地分辨果壳的轮廓和隐藏在果壳中果仁的形状，这是最但愿的。一样，若是样品是人的牙齿，那么牙齿的正常部分与损蛀部分将很容易的区分开，同时没必要照射x射线，对人体没有附加伤害。 安全检查 利用安全检查应该说是现阶段最吸引人的THz技术，它的本质原理是THz成像，目前因为目前主要采用连续波THz源，并且又因为它要解决的是目前最受人关注的反恐、缉毒等最让人关注的问题，因此单列出来。目前英国发展的THz安检设备已经进入试用阶段。因为THz射线的穿透性和对金属材料的强反射特性，而且THz的高频率使得成像的分辨率更高，因此能够很容易看到隐藏在衣物、鞋内的刀具、枪械等物品。同时若是结合THz的物质鉴别特性，可以区分你身上是否携带炸药或毒品。首都师范大学THz实验室已经创建了常见的炸药和毒品的数据谱库，能够设想再过几年，能够真正在机场见到真正的THz安检的设备。另外，世界范围内引发社会动荡的自杀式炸弹恐怖袭击，也能够利用THz安检设备进行防范。由于站岗的能够再也不是士兵或保安人员，而是THz安检仪，人们不须要靠近可疑分子就能够对其进行检查。 THz雷达 实际上也是成像的一种。鉴于大气中水分对THz射线的强吸取做用，因此近距离雷达是THz射线的优点所在。一个很是让人向往的应用是穿墙雷达和探雷雷达，固然也能够用于抗震救灾中遇难者的搜救，目前还处于研发阶段。这是因为墙壁，木材等材料对THz透过，而人体包含大量水分，不透过THz，所以能够透过墙壁侦查到屋内的人员的分布和活动，将反恐怖反绑架起到深远的影响，同理也能够用于废墟下人体的寻找。而探雷雷达是因为地雷通常在地表或地表附近，而干燥的泥土能够透过THz射线，而地雷将会把THz射线反射回来，从而能够发现目标。 天文学 在宇宙中，大量的物质在发出THz电磁波。 炭（C）、水（H2O）、一氧化碳（CO）、氮（N2）、氧（O2）等大量的分子能够在THz频段进行探测。而这些物质在应用THz技术之前一部分根本没法探测而另外一部分只能在海拔很高或者月球表面才能够探测到。 通讯技术 THz用于通讯能够得到10GB/s的无线传输速度，特别是卫星通讯，因为在外太空，近似真空的状态下，不用考虑水分的影响，这比当前的超宽带技术快几百至一千多倍。这就使得THz通讯能够以极高的带宽进行高保密卫星通讯。虽然因为缺少高效的THz发射天线和源，使其还没法在通讯领域商业化，但这必将由新型的发射装置和发射源所解决 。 太赫兹辐射 德国研究人员利用超级计算机计算发现，利用强烈的太赫兹辐射，可实如今不到万亿分之一秒内瞬间将微量水烧开。 太赫兹辐射是指频率从0．1太赫兹到10太赫兹，波长介于毫米波与红外线之间的电磁辐射区域。一太赫兹等于一万亿赫兹。 德国电子同步加速器研究所报告说，强烈的太赫兹辐射可引起水分子剧烈震动，打断水分子间的氢键。这种方法可将约一纳升（十亿分之一升）水在半皮秒（一皮秒为一万亿分之一秒）内加热至600摄氏度。 报告指出，一纳升水虽然听起来很少，但对不少实验来说已经足够。一皮秒比一眨眼的时间还要快不少，所以这种烧开水的方法可称得上是迄今最快的。 虽然这一“烧水”法还没有投入实践，但研究人员表示，水在许多化学与生物过程当中扮演重要角色，新发现或可为化学与生物领域提供更多实验可能。 [2] 生物医学 中国工程院院士杜祥琬院士指出，在全部物理技术中，电磁波技术对医学的促进做用尤为突出。从1901年X线得到第一届诺贝尔物理学奖开始，已有5项与生物医学相关的诺贝尔奖授予了X光谱技术领域。 太赫兹技术在生物医学方面的应用，生物大分子相互做用是重大生命现象与病变产生的关键动因，而太赫兹光子能量覆盖了生物大分子空间构象的能级范围。该频段包含了其余电磁波段没法探测到的直接表明生物大分子功能的空间构象等重要信息。所以，能够发展一种利用太赫兹探测和干预生物大分子相互做用过程的新理论和新技术，为当前重大疾病诊断、有效干预提供先进的技术手段。 中国工程物理研究院流体物理研究所李泽仁研究员也表示，目前经过国家对太赫兹源、探测器及成像系统等关键技术与仪器设备的大力支持，我国已基本具有开展太赫兹生物医学研究的基础。 [3] 其余 此外，太赫兹在半导体材料、高温超导材料的性质研究等领域也有普遍的应用。研究该频段不只将推进理论研究工做的重大发展，并且对固态电子学和电路技术也将提出重大挑战。 目前，笼统的说THz技术的研究主要围绕三大部份内容展开，THz产生源、THz探测和应用研究。目前最大的困难仍是没有高功率便携式连续可调的成本较低的THz发射源和知足现实要求的滤光片，另外也没有可以常温下直接探测太赫兹射线的被动式探测器。 前景 编辑 太赫兹的独特性能给通讯（宽带通讯）、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像（无标记的基因检查、细胞水平的成像）、无损检测、安全检查（生化物的检查）等领域带来了深远的影响。因为太赫兹的频率很高，因此其空间分辨率也很高；又因为它的脉冲很短（皮秒量级）因此具备很高的时间分辨率。 技术突破 编辑 2016年10月28日消息，中国航天科工集团23所已得到中国首幅太赫兹波段外场SAR图像，太赫兹波段雷达成像关键技术取得突破性成果。经过首幅太赫兹波段外场SAR图像，主要技术指标和成像算法获得了试验验证，为太赫兹雷达工程应用奠基了技术基础。不过，因为高功率太赫兹辐射源发展水平的限制，太赫兹雷达系统成像目前尚没法彻底知足实际应用需求。 [4]