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“太赫兹”缘何被美国政府列入改变未来世界十大技术?


来源:凤凰卫视

核心提示:一种名为“太赫兹”的神秘波段,为何如此吸引全球科学家的目光?太赫兹研究专家陈志豪做客《世纪大讲堂》,带您领略太赫兹技术的奥秘。

陈志豪:我们也可以把太赫兹用在这个癌细胞的测试。这里有个癌症细胞的组织,它是封在一个这个石蜡上面的,我们比较容易处理,但其实我们看得不是很清楚。通过我们这个太赫兹的频谱仪,我们可以把它每一点的扫描,记录下来,然后做这个讯号处理,这里我也可以看得到不同的频率,这个癌的组织它对太赫兹的吸收的能量是不一样的,所以我们就以把它的不同的组织就可以显现出来,大家就可以看到。所以从0.1个太赫兹到了1个太赫兹的时候,我们看到这个同一个组织看到的东西是不一样的。所以通过这个,我们有个数据库的时候,我们可以看到它里面的组织到底是有什么东西。这是一个检查的方法。

这里是一个放在老鼠上面一些肝癌的癌细胞组织。放在太赫兹频谱仪上面,通过太赫兹的扫描,我们就可以看到这个组织在不同的频率的时候,它有不同的频率。我们通过一个数据库,然后去看它是有什么,是不是癌细胞。

解说:可以说,太赫兹科学为攻破癌症开启了一扇新的大门。但这项技术还未开始临床应用,要说太赫兹目前最受欢迎的用途,还要属安检这个领域。

陈志豪:不同的物料对这个太赫兹的吸收率都不一样。比如说我们穿的衣服,太赫兹的穿透率其实是可以穿过的,但是在我们的身体上面,它就可以看到太赫兹的效果。在安检方面有两种方法的,一种是无源的,一种是有源的。什么是无源呢?可能大家不清楚,你们每个人现在都在放射有太赫兹的信号,你现在可能觉得这个很神奇。其实我们就是一个黑体的辐射,我们一直在把这些能量发射出来。比如说大家都知道红外,你们去机场的时候,用红外检测仪就可以把你检测出来。其实我们在同一时间,也有其他频率发射出来的,包括太赫兹,但是这个信号会比这个红外弱很多。所以我们测试的时候,怎么知道你有一把刀呢。比如说你有一个手机,我怎么知道你这个口袋里面有一个手机呢?就是如果用无源的方法,我们自己发射这个能量,我们有一个太赫兹的接收仪,它是可以把这个信号接收起来,然后做一个信号处理,就把那个形状就做出来,但是手机本身它可能如果不是发热的时候,还是跟你的温度不一样的时候,它呢,我们身体上面发热的时候,就被这个手机挡住了,所以在这一块手机的部分里面,我们收出来的形状是黑的,是没有能量的接收的。所以我们就可以分辨,如果藏一把刀在里面,这个刀跟我们身体发射的能量不一样,所以它就会,我们就会把它显现出来。

当然,我们大家发射的能量非常非常弱,要很短距离的时候我们是可以把它检测出来的。比如说,我距离大家这么远,我怎么知道你手上面有没有藏一些武器,还是什么的。我们就用一个有源的方法,我们要把一个太赫兹的信号,把它虽进去发射,往你那边发射,然后我们从反射回来的信号,接收回来。我们就可以看到你身上的东西。所以这个是一个美国NASA他们做的一个安检用的一个仪器。这个距离可以取到25米远,然后它可以测试你身上有没有藏一些武器,还是一些炸药这些东西。这个方面,其实在国外发展也非常非常之好了,我们其实中国也有类似的,这些太赫兹的安检用的这些仪器已经有了。但是大家还可以看到,什么情况之下它不能够很容易去检查呢?大家猜一猜。比如说我站在这里,我后面也站着一个人,我就把太赫兹的信号我发射的信号就挡住了,所以,如果我只能够看到前面的人,后面的人我们看不清楚,对不对,有这个情况。

所以,我们这些仪器准备用的时候,一般都是我们站在这个检测机前面,比如说1秒钟,它就可以看到我的情况,但是基本上就是一个,每一个人,站着去,然后它就可以找出来。但是如果在一群人里面我们去找呢,其实现在还没有一个很好的方法,所以这个方面我们还需要再继续研究。这里是一个视频,我们看看有些在工业上的应用。我们可以看到当这个背包里面,有一些其他的东西,通过这个太赫兹的检测器,它就可以看到这个形状。我们再看看箱子里面,有没有其他的东西,可以看到有一个剪刀。大家可以看到,其实这个是一个有源的,因为上面是有一些发射太赫兹的源,然后通过它信号的处理,它就可以把里面的东西,可以看得清楚。所以你可以看到这些是在安检方面用得比较多。当然,大家可以看到了,它这个测试的(仪器),用的还是一个短距离的,这比较方便,这个是因为太赫兹的源的能量,就是比较相对地弱,不是很强。瓶子里面,看看它没有药品。但是当它有药品的时候,它出来的信号的处理不同的东西了。你也可以看到它是有的,所以在这里我们就可以看到,所以在这个安检方面,这个太赫兹是发挥了它的作用。

我们用光的方法去看这些很远的星云,但是又通过这个太赫兹,它的反射回来的时候呢,就补充我们用光看到的那个星云的成分,是通过碳的不同的情况,我们去断定它是一个新星,还是一个快要死在的一个星。

解说:《世纪大讲堂》,改变未来的太赫兹技术,下节回来,精彩继续。

中国领跑电磁波天线研制 但对太赫兹的研发应用仍较缓慢

前两节,陈志豪让我们了解到太赫兹的多种神奇用途,但其实人类一直以来都对它“猜不透”“认不清”,直到近十几年,科研手段的提高,让全世界科学家认识到它的巨大发展潜力,各国政府和机构纷纷投入到它的研发热潮中。中国也在200年专门召开“香山科技会议”,制定了太赫兹技术的发展规划。

陈志豪:其实太赫兹在通讯上面,也有很好的应用。我刚才说过了,这个太赫兹因为它能够用的距离还是比较短,2013年的时候,德国有个团队,他们通过这个太赫兹,可以在20米内,它可以做一个通信。它的通信速度其实也是非常之快的,可以每秒钟超过100个吉赫,就是每秒100个位元的传输的速度。它用的频率是237.5个吉赫兹,0.37的一个太赫兹频率。所以其实已经可以利用太赫兹的通信方法,把传输速度弄得非常非常之快。我们刚才说过了,太赫兹它的能量比较弱,就是因为它的吸收比较强,比如说我们在空气中,还有这个吸收,但是如果这个通信在太空上面呢,就没有这个问题了。所以太赫兹通信是可以用卫星与卫星之间的通信。在那里我们就没有这个太赫兹的吸收这个问题。所以这个太赫兹的能量可以传输得非常远。加上因为它的频率高,它的传输的速度非常快,所以有大量的速度数据就可以通过这个太赫兹去传输。

比如说我们在地面上,如果要把信号送往太空,其实也是有点困难的。但如果我们在飞机上面,飞机上有一些这样的天线,因为在几万公尺上面,空气很稀薄,对太赫兹的吸收也非常之少,所以飞机跟卫星的通信其实也可以,可以用太赫兹来实现。但是比如说在一个小的地方,比如说在一个飞机机舱里面,我们可以通过太赫兹把很多的信号重新送到每一个乘客用的电子产品上面,这也是其中一个方面。另外一个可以用途,如果我们在医院里面,那些医生经常要用很大的数据把一些图片,他们的X光片还是什么的,送去他的用一个手提机,可以看到那个不同的照片,他就可以用很快的速度去做这个事情。所以我们就是说如果在短距离里面,我们可以用太赫兹,通过用太赫兹,可以用很快的速度去传送这个信号。如果在太空,那些没有空气能够吸收的(太赫兹的地方),在那里我们也可以用,太赫兹的技术做一个通信。

解说:说到通信,必然离不开用来发射和接收电磁波的天线。陈志豪说,在天线的研究和制作上,中国绝对是领先的。

陈志豪:大家可能听过第五代的移动通信。我们第五代的移动通信可能还要几年,2020年才能够实现,我们这里做的天线,可能在第五代以外的这些,在未来比如说10年,那些通信用的时候,用的一些天线,但是研究事宜我们已经开始做了,那这个天线是什么东西呢?这个天线用的太赫兹,我们就是有一个,大家可以看到这里面是一个单元,这个天线很小,而且是天线其中的单元。这个天线最重要就是说,它不同的频率它的方向图,它发射的方向的能量是不变的,通过一个比较大的一个频率频带,它要不变的,所以比较稳定,那个通信非常稳定的。这个天线我们设计的时候,因为这个天线很小,大家可以看到这一个是一个我们叫天线阵,它的大小要小于比如说0.5个毫米,就非常非常小的东西。我们一般技术的方法是做不出来的。所以我们要通过,我们在这个光电的实验室,用这个微制作的技术去把它做出来。然后大家可以看到,这个天线通过我们用“微”技术去做的时候,我们就可以把它做出来了。一般这个损耗呢,如果你金属的表面,你做的很光滑,这个损耗是非常小的,就是太赫兹里面,它的损耗也不高。所以可以做这么高频率的天线。

大家可以看到这个天线,通过再一个显微镜下,看出来的天线。大家可以猜一猜它那个天线其实不是一个天线,是一个天线阵列,在这么小的一个地方,我们其实里面有12根天线,把它放在一起的。所以这个天线,大家可以看到,这个一毫米,它小于1毫米,一个毫米的一个大小,可以做这个天线,大家可以看到它的方向图,其实是不变的,通过不同的频率,它的方向图,测试的结果是不变的,然后它的频带也很宽,有26个百分比。我们在一个太赫兹里面,它的频带有260个吉赫兹一个频带,它就代表我们传输的速度,是可以支撑每秒200个千兆元位,这么一个速度去做一个通信。我们的天线在毫米波及太赫兹,在全球也是非常有名的。去年7月的时候,香港回归祖国20周年成就展,我们做的天线就放在北京的首都博物馆做展览。李克强总理跟香港前任特首梁振英,以及现在的特首林郑月娥,他们去参观这个展览。这次展出了我们的天线,包括刚才我们为大家介绍那个太赫兹的天线。

解说:太赫兹技术有这么多的有点和用途,理应大力研究。但实际上,太赫兹的研究工作缺点发展很慢,这是为什么呢?

陈志豪:为什么研究太赫兹比较慢呢?相对于其他的频率,就是因为测试仪器是非常非常之昂贵,在这里我们就可以看到,我们实验室里面有这么一台的,可以去掉1.1个太赫兹的一个网络分析仪。这个仪器,整套仪器我们需要5000万的一个仪器,是非常昂贵的。所以它要做太赫兹的研究,你需要有一些比较先进的仪器,这个其实也非常之昂贵。在国外,我们现在基本上可以有0.5个太赫兹的网络分析仪,已经可以生产,已经可以买到。所以在一方面,我们的发展其实也非常迅速,我们猜几年之内呢,我们也还可以做出相当于国外最顶尖的仪器,我们应该,国家也应该可以做出来的。

当然,如果仪器很贵的时候,你要看你这个经济的效益了,比如说我用了一个很贵的仪器,去做一些检查,那么那个经济的效益就比较低了。所以当我们能够把这且昂贵的仪器,把它的制作的价钱,把它降下来的时候。我们就可以太赫兹就会在可以有更广泛的应用所以这一方面我们还在努力中。谢谢大家。

田桐:感谢您陈焦烧给我们带来的演讲,听完了刚才这个演讲之后,大家有什么样的问题,可以向陈教授进行请教的,或者你没听懂,或者你听完了之后有自己的思考。

提问:教授您好,就是目前我们在机场、地铁,还有我们做节目之前遇到的安检,都是这个技术吗?会不会对我们身体有什么影响?谢谢您。

陈志豪:现在来讲呢,我想比如说凤凰卫视肯定现在还没有用这个太赫兹的技术。而其实在一些,比如说我刚才说过了,就是说如果人流很多的地方,这个太赫兹安检的技术其实还是需要改善的,比如说在一些边境的地方,我们这个东西就可以用得上了,其实我已经看到有一些报道说,已经有用上这个太赫兹的安检的技术。但是它不能够把很多人同一时间过境还是什么的,这样就比较困难。因为它,比如说我前面那个人把我挡住,这个(检测)就出不来了,所以还是一秒钟里面可能做的安检的,检查一个人,如果这个速度是能够满足这个机场,海关的要求,还是可以的。大家知道,比如说春运的时候有很多很多人,这个基本上我觉得现在还是没有可能。

提问:老师好,我对食品安全和健康比较感兴趣,我想知道中国是否已经运用太赫兹来进行食品的检测?还有就是太赫兹对癌细胞和肿瘤的检测,我们已经做到什么程度了?

陈志豪:好,谢谢。我想呢,就是说这些安检是可以用的上的,最重要的就是这个价钱的问题了,我们就是说,现在的技术其实已经可以把这个价钱降下来。比如说刚才我们说的三聚氰胺这些东西,其实可以检查出来的。太赫兹的应用,比如说在癌症里面,其实我们要想,比如说是皮肤癌,它的癌是比较容易去看到的,因为太赫兹的穿透率其实不是非常非常高,在表面上面呢,我们是可以看到,比如说你在皮肤癌上面,我们可以看到这个细胞有什么特别,这个可以看到。但是如果你说在身体里面,它的太赫兹的穿透的能力,没有这么强。所以现在我们还不能够看到,所以我们看到的只是体外的这些检查。

田桐:那您觉得需要再过多少年,它才能够成为一个普及的技术?

陈志豪:我想在安检方面,我猜几年就可以了。

田桐:就可以了。

陈志豪:应该可以了。

田桐:那医学方面呢?还需要多少年?

陈志豪:医学方面我刚才说过,比如皮肤癌这方面就比较容易,比如说我们是食道癌,我们要做一些仪器,一些仪器把它放进体内,然后再看,时间的话就会长一点。

田桐:所以这个时间就长一点。嗯,好,谢谢。我们来看一看其他观众朋友还有哪些问题。

提问:老师您好,我想知道它在航天领域和天文学上有哪些应用,作了那些贡献呢?

陈志豪:在太空,比如太空通信里面,因为太空没有这个空气的吸收,太赫兹的能量可以传播很远,所以在一方面呢,在卫星与卫星之间的通讯,是可以用得上的。另外一个方面,比如说我们卫星里面,装了太赫兹的一些仪器,我们可以把信号往地球发射,然后再检查地球的云,还是什么的,在国外已经用上这个太赫兹的技术了,在遥感方面,这个信号在卫星上面往地球发射,已经有的了。另外一个,我们比如说在天文方面,其实最先用的太赫兹的应用是在天文上面。比如说在南美洲智利那个国家北面,它有一个沙漠,沙漠是很高的,在5000公尺海拔上的一个高原,它里面呢,有一个很大的射电天文望远镜,一个系统,我们用光的方法去看这些很远的星云,我们只能够看到一些光,比如说红外的那些信号,但是又通过这个太赫兹,它反射回来的时候,它这些就可以(检测频率),它的信号就可以反射,我们就可以检测它们的信号。所以就可以补充我们用光看的那个星云的成分不一样,我们就以把它光不能够做的东西,我们就可以补充起来。所以我们就可以得出这个星是一个新星,还是一个已经慢慢死掉的星。所以通过碳不同的情况,我们去断定它是一个新星还是一个快要死掉的一个星。

田桐:好,谢谢。

陈志豪:谢谢。

田桐:非常感谢陈教授给我们带来关于太赫兹的这一篇演讲,那我们今天演讲的题目是太赫兹改变未来的技术,我们相信这个未来,其实并不会很远。也感谢收看这一期的《世纪大讲堂》,您可以扫描屏幕下方的二维码来参与到我们节目互动,我们下一周再见。

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[责任编辑:印丰晔 PV094]

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