什麼是太赫茲波?
太赫茲波是指頻率約為100GHz~10THz的電磁波,處於毫米波和遠紅外線之間。其波長範圍約為3mm~0.03mm。太赫茲波具有容易穿透物質、直進性好的特點,另外,因其不會像X射線那樣破壞活體組織而很安全。所以,在無損檢測、成分分析、醫療診斷和無線通訊等眾多領域,太赫茲波開始得以實際應用。
使太赫茲波振盪的方法有多種,比如將頻率乘以整數倍的倍頻方式、將不同頻率的光混合起來的混光方式、以及適合小型化的共振帶間穿隧二極體等。
未來需要解決的課題包括提高振盪器效率和輸出、小型化以及降低系統整體成本。如果這些課題得以解決,太赫茲波將有望進一步擴大實際應用。
太赫茲波的頻段
太赫茲波是指介於電波和光波之間的電磁波。其頻率約為100GHz(0.1THz)~10THz,波長約為3mm~0.03mm。
* 電磁波:透過以電力作用產生的“電場”,和磁力作用所產生的“磁場”之間的相互作用來傳播的波。
* 頻率(Frequency):表示電磁波的波每秒振盪的次數;頻率越高,波的能量越大。其單位是赫茲(Hz)。
* 波長(Wavelength):表示從電磁波的一個波峰到下一個波峰的距離,波長越長,頻率越低,波的能量越小。其單位是米(m)。
太赫茲波的特點
下面詳細介紹太赫茲波的特性和應用。
- 1. 穿透性:可穿透電介質
- 太赫茲波可輕鬆穿透紙張、塑膠、陶瓷、木材、纖維等材質,也就是說,透過太赫茲波可以“看到內部”。利用該特性,可在不破壞物質內部結構的情況下研究物質的內部結構,因此有望在這類應用中發揮重要作用。例如,用來檢查食品中是否有異物、檢測隱藏在建築物牆壁內的佈線、檢測障礙物等。
*電介質:一種性質與絕緣體相似、能夠存儲電能、不易導電的物質。 - 2. 直進性:與無線電波相比,直進性更好
- 太赫茲波具有像雷射光束一樣出色的直進性,支援鏡面反射和透鏡聚光等光學處理。該特性可用於感測和成像技術(對物體進行成像的技術)。目前,正在推動相關研究,以促進在材料缺陷檢測和醫療領域的癌症檢測等領域的實際應用。
- 3. 吸收性:很容易被水吸收
- 太赫茲波很容易被水吸收。利用該特性,可以檢測皮膚和水果等物質中的含水量、分析物質的成分等。另外透過檢測大氣中的微量水分,還可以提高局部降雨量等天氣資訊的預測精度。
- 4. 指紋圖譜:區分物質
- 不同的物質所吸收的頻率也不同。太赫茲波譜中典型的圖譜稱為“指紋圖譜”。很多生物分子、蛋白質、高分子材料等都有其特有的吸收特性,透過測量其吸收率可以判定物件物質。該特性有望應用於違禁藥品檢測、畫作鑒定、物質成分分析等領域。
- 5. 高速通訊:支援高速、大容量的資料傳輸
- 將太赫茲波段的信號用於通訊領域時,與傳統的無線通訊系統相比,可以大幅提高通訊速度。另一方面,太赫茲波容易被水分(雨水、濕氣等)吸收、因直進性好而容易受到障礙物(建築物、人等)影響等特性,使其在通訊領域的應用存在一些問題。儘管還存在各種技術課題,不過其針對實際應用的研究正在取得進展,更快速、更大容量地傳輸資料的太赫茲波無線網路,有望作為次世代通訊標準而投入實際應用。
- 6. 安全:不會損害物質和人體
- 一般來說,紫外線、X射線等高能電磁波可能會對細胞造成損害,人們擔心過度接觸可能會對人體產生不良影響。而太赫茲波的能量低於可見光,不會對人體造成輻射性傷害。因此有望在機場入口等處的安檢、醫療診斷等領域得到有效利用。
實際應用之路
儘管太赫茲波具有優異的特性,有望被應用於過去無線電波和光所難以觸及的眾多領域,但在投入實際應用之前,仍有很多課題需要解決。為了解決這些課題,並進一步擴大其應用範圍,新材料和新技術的研究和開發也正在進行。為了實現更加便利和安全的未來,基於太赫茲波的新型設備和系統的問世將備受期待。