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可能引发科学技术革命性发展的太赫云联惠兹技术
发布时间:2023-12-29 17:44:17来源:云联惠 浏览次数:1

  随着科学技术的迅猛发展、国际竞争的加剧以及社会信息化进程的不断加快,各种各样的新技术不断涌现出来。电子学和光子学交叉的新兴前沿领域尤为突出,从激光到太赫兹技术的发展给我们提供了很大的机遇。太赫兹技术是一个典型的交叉前沿科技领域,它的应用也迅速扩展到了社会的方方面面,诸如通信技术、公共安全、生物医学、新型材料、考古探索等,以及其他交叉学科。太赫兹技术在这些领域的探索及应用中起到举足轻重的作用。太赫兹技术为科学技术创新、国民经济发展、国家安全建设等方面提供了重要的手段,可能引发科学技术的革命性发展。

  太赫兹(terahertz,THz)波是特指一段特殊波段的电磁辐射,狭义的太赫兹波一般是指频率在0.1 ~ 10THz(1THz = 10??Hz),波长为0.03 ~ 3mm 的电磁波,在电磁波谱中位于微波和红外线波段之间。而广义的太赫兹波频率范围可包含整个中红外和远红外波段,频率最高可达100THz。由于太赫兹波在电磁波谱中的位置十分特殊,它处在电子学和光子学的交叉领域,所以既不完全适合用经典的光学理论来解释,也不完全适合用电子微波理论来研究。因此,以往在相当长的一段时期内太赫兹波段被认为是电磁波谱中的“禁区”。由于缺乏有效产生和探测太赫兹波的辐射源和探测器,太赫兹这一波段一直被称作“太赫兹间隙”并未在科学界引起较大关注。

  自20 世纪80 年代以来,依托于超快光学和半导体技术的飞速进步,太赫兹波的产生方法和检测手段已日臻成熟,这使得太赫兹波逐渐走进了科学家的视线,并由此催生了一大批基于太赫兹波的新型学科和研究领域。

  如同在光学波段或X 线波段一样,在太赫兹波段也可以通过断层扫描的方式来获得三维图像。目前常用的包括计算机断层扫描成像(computed tomography,CT)以及飞行时间断层扫描成像(flight-of-time tomography,FOTT)。

  目前太赫兹波技术正在从理论走向实际,在包括雷达通信、安全检查、生物医学、空间物理和天文考古等众多领域内获得了广泛的应用,彰显出巨大的研究潜力。《太赫兹技术与应用》(府伟灵,张阳主编. 北京:科学出版社,2020.8)一书系统总结了太赫兹技术在各个领域的应用。本文摘要分享如下。

  太赫兹波是位于微波和红外线之间的电磁波,其所在波段是宏观电子学向微观光子学过渡的波段。太赫兹波本身所具有的优越性能和巨大应用潜力是红外线、微波等波段的电磁波望尘莫及的。近年来,太赫兹通信和雷达技术俨然已成为太赫兹技术研究的前沿和热点领域,国内外太赫兹雷达和通信技术的研发及应用得到了极大拓展。随着太赫兹技术的飞速发展,太赫兹源和探测设备等新型硬件设施的出现,为太赫兹技术在雷达和太赫兹通信等领域的应用奠定了坚实的基础。相对于传统的微波雷达、激光雷达、光纤通信等,太赫兹波雷达和太赫兹通信具有独特的技术优势,在当前受到极大重视,具有重要的应用前景。

  太赫兹波应用于安全检查主要依靠太赫兹成像技术和太赫兹光谱技术,具有得天独厚的优势和诱人的应用前景。相比于常见的X 线行李安检仪和手持式金属探测器,太赫兹人体安检成像主要具有如下优势:

  安全性:与传统X 线安检仪中发射的高能(keV)X 线相比,太赫兹光子能量在毫电子伏(meV)量级,对于被检者和操作者的身体影响几乎是可以忽略不计的,且当太赫兹辐射和水分子发生作用后会被强烈吸收,故无法穿透皮肤对人体造成损害。同时太赫兹波可在中远距离内传播,相比于人工检测的方法可保证检测者的人身安全。

  太赫兹技术以其独特的优势正在使其成为安全检查领域重要的候选手段,在刀具、爆炸物、毒品等安全检测中得到发展与应用,有了太赫兹“安全卫士”,安检的流程将变得更加便捷、高效。

  使用太赫兹光谱技术检测生物样本具有独特的优势。众所周知,每一种生物分子都有特定的振动和转动能级,其都有对应的特征谱。通常情况下,分子内电子跃迁所需能量为电子伏特量级,恰好对应于可见光和紫外线频段。分子中原子间的振动主要与红外光谱光子能量相关,而分子内单个原子的弯曲振动或伸缩振动恰好与近红外和中红外光频段相对应。因此,不同原子基团的特征吸收可被这些频段光谱检测,但是对于整个分子的构型、构象的变化,以上光谱学方法均未能进行有效检测。

  太赫兹波所处的频段位于毫米波与红外波段之间,属于远红外区域,该频段对应的振动光谱主要是基于整个分子空间结构以及分子间相互作用,所以在太赫兹波段物质的振动频率与分子集体运动相关,利用太赫兹光谱可有效解析生物样本的骨架振动以及构型弯曲等集体振动模式。这些信息是与生物分子的结构和构象高度相关的,因此太赫兹波能够与所探测生物分子产生共振吸收,从而获得所探测生物样本的特征谱线,进而对生物分子的结构和构象特征等有更为精准的了解。此外,与X线检测等方式相比,太赫兹波相干电磁辐射的光子能量极低,在进行样品探测时不会产生有害的光致电离,是一种有效的无损探测方法。

  太赫兹成像技术在生物医学诊断中的应用,特别是其在肿瘤诊疗中的巨大价值。不同于目前广泛应用的X 线影像学检查面临的辐射电离损伤的潜在危害,太赫兹成像技术具备非电离无损探测的巨大优势。同时,生物大分子集体振动和转动模式能量谱带恰好处于太赫兹波段内;这吸引着广大科研工作者应用太赫兹生物成像技术无标记检测疾病组织差异分子表达的变化特征。同时,太赫兹成像技术的光路系统更容易整合嵌入,可为外科手术可视化分析和辅助细胞病理学诊断提供新途径。接下来,我们将围绕不同器官的恶性肿瘤和其他临床疾病,探究太赫兹生物成像对比差异来源,阐述其临床研究现状和面临的突出问题,分析其在不同临床疾病诊疗过程中的应用场景。最后,从太赫兹分子成像技术和近场成像技术两大关键突破点入手,结合最新影像组学发展趋势,展望太赫兹成像技术在生物医学领域的发展前景。

  (A)光学显微镜图片;(B)侵袭性导管癌组织的太赫兹图像;(C)光学显微镜下癌症区域划定形状图;(D)太赫兹成像中癌症区域划定形状图

  药物是预防、治疗、诊断人类疾病的物质或制剂,来源分化学合成药物和天然药物。药品成分的鉴别与质量控制在新药研发生产过程中处于重中之重的地位。传统的药物分析技术(如红外光谱以及一般理化鉴别等)往往需要对药品样本进行一系列的预处理,常常既费时又费力,极大降低了药物从生产到应用的效率。而快速简便的太赫兹光谱技术利用其瞬态性、相干性,以及宽带性等特点,可以直接有效地获取被检药物内部分子结构以及分子间复杂的相互作用。在本章重点介绍太赫兹技术对于化学药物、中草药以及药物片剂等剂型检测的研究进展,阐述太赫兹已实现对药物异构体鉴别、中药提取物鉴别及药物片剂包衣质控等一系列应用。

  随着材料科学的迅速发展,越来越多的高新材料被广泛应用于航空航天、汽车船舶、能源化工、医药制备等领域,其中许多领域对材料内部以及材料间黏合的规整性有着极高的要求,因此迫切需要一种可直接在现场进行的新型无损检测技术,在材料的制备和使用过程中进行检测,以此确保材料使用的安全性。

  太赫兹无损检测技术作为一种无损、非电离、非接触的新型检测技术,对非极性、非金属材料具有很强的穿透力。基于太赫兹成像技术的无损检测技术能够获得被测样件的频域、时域和空间信息,能对材料的缺陷进行清晰成像,具有很高的缺陷检测及定位能力,在无损检测领域的优势也逐渐凸显,可以作为传统检测技术的有效补充。

  射电天文学是20 世纪40 年代第二次世界大战后迅速发展起来的天文学中的一个新分支,其特点是利用射电天文望远镜观测天体在无线电波段的辐射。太赫兹技术也是射电天文学极其重要的研究领域。20 世纪90 年代以来,国际上太赫兹/ 亚毫米波的一系列重大发现不断刺激着天体物理学各个层次的研究。NASA对于宇宙背景辐射的研究结果表明:在可观测的星系中,亚毫米波辐射占相当大的比例,这些辐射大多来自低温的宇宙尘埃,而较老的星系充满了这样的宇宙尘埃。因此,观测和分析宇宙尘埃的太赫兹辐射成为天文学家研究宇宙的重要技术手段。近年来,太赫兹技术主要以高灵敏度超导探测器的方式越来越多地被运用到天文遥感领域中。

  携带多种科学探测载荷,包括1 台562GHz 的频谱探测器,它飞往彗星Comet 67P 并穿越其彗尾,研究彗星挥发物质,包括水蒸气、一氧化碳、氨、甲醇的含量,并通过特征谱线的多普勒频移,定量分析挥发物质从彗核逸散的速度

  考古学中历史文物的鉴定、修复和保存是一项涉及物理、化学、材料等多学科应用领域的工作,这些古老的艺术作品往往与承载它们的古建筑基体密不可分,因此,对文物的无损检测成为考古学中研究的热点。目前,在文物无损鉴定方面,考古工作者通常采用X 射线、红外线、超声波及拉曼光谱等技术和手段对文物进行鉴定和分析。近年来,随着太赫兹光谱技术的飞速发展,其在文物的无损检测方面日益受到考古学家的重视。与X 射线、超声波、微波及红外线相比,太赫兹波在电磁波谱中所处的波段比较特殊,介于微波与红外线之间,因此太赫兹技术在文物的无损检测领域具有多方面的优势。太赫兹技术在考古学方面的应用,主要包括太赫兹光谱对文物物质成分的分析和对文物内部结构的探测。

  近年来,太赫兹技术发展迅速,正在影响着大家的生活和工作。因此,了解太赫兹波的生物学效应也越来越重要。太赫兹波的生物学效应是指太赫兹波照射到生物机体时,将能量传递给有机体引起的任何改变。太赫兹波的光子能量仅为0.4 ~ 41meV,远低于电离或转移生物分子周围的价电子所需的能量。因此,一直以来,太赫兹波被认为是一种非电离辐射,会在一定条件下对生物体产生特有的效应。本章旨在介绍太赫兹波产生生物学效应的机制和影响因素,分别阐述其对个体、组织、细胞、分子的影响,使读者对太赫兹波的生物学效应研究有初步的了解和认知。

  《太赫兹技术与应用》为适应时代发展的要求和综合型人才培养的需求而编写,在内容上以“基础”为度,以“应用”为准,理论紧密联系实际,深入浅出,充分体现科学应用和基础理论相结合的内容体系,按照认知规律兼顾科学应用的原则安排知识结构体系。该书特色:

  ①编写内容具有科普性,介绍了太赫兹波原理及特性,阐述了太赫兹波的产生和探测方法,分析了太赫兹源和探测器的发展现状;

  ②编写方案具有实用性,探讨了太赫兹技术在光谱识别、分子检测、成像及通信等方面的应用;

  ③编写体系有所创新,介绍了近年来国内外太赫兹技术在生物医学、药学、文化遗产等领域的应用研究进展。

  该书图文并茂、深入浅出、简繁得当,可为多领域交叉学科专业教材,亦可供科研技术人员参考借鉴。

  本文摘编自《太赫兹技术与应用》(府伟灵,张阳主编. 北京:科学出版社,2020.8)一书,有删减,标题为编者所加。

  太赫兹波一般指频率为0.1 ~ 10THz,位于微波和红外线之间的电磁波。由于其特殊频段,处于电子学和光子学研究频段之间,太赫兹波具有的独特优势在物理、化学、医学、材料等学科的研究价值已被普遍认可。近年来,随着物理学技术和材料学技术的发展,太赫兹波的产生方法和检测手段已日臻成熟。目前太赫兹技术正在从理论走向实际,本书系统总结了太赫兹技术在无线通信、雷达监测、安全检查、生物医学和天文考古等众多领域的应用。

  本书内容兼顾了科普性和全面性,可供太赫兹技术领域科研人员和太赫兹技术交叉学科领域的读者参考借鉴。

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