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电磁波谱未被充分利用的部分可以从超材料中获

更新时间:2020-08-28 10:50点击:

太赫兹辐射,或称t射线,与大多数其他电磁波谱相比,很少被利用。然而,t射线在下一代无线通信(6G/7G)、安全系统、生物医学,甚至艺术史上都有潜在的应用。一种利用特殊设计的“超表面”特性来控制t射线的新装置可能会开始实现这一潜力。

这项发现发表在2020年7月13日的同行评审期刊《光学快报》上。

“太赫兹间隙”是工程师们用来描述利用电磁波谱中位于微波和红外辐射之间的频段的技术非常少的一个术语:太赫兹辐射(也称为t射线)。

虽然产生和操纵微波和红外辐射很简单,但在室温下操作的实用技术以及能够对t射线进行同样操作的实用技术效率低且不切实际。这是一个巨大的遗憾,因为如果我们真的能够驾驭t射线的话,它的特性将使它极其有用。

t射线可以穿透像x射线这样不透明的物体,但它们是非电离的,因此更加安全。它们还可以穿过服装、木材、塑料和陶瓷,因此可以通过实时成像来识别隐藏的枪支或爆炸物。出于同样的原因,太赫兹辐射应用在文化遗产科学方面也很有前景,为艺术历史学家和博物馆提供了一个无辐射风险的选择,用于调查从绘画到木乃伊的文物。

太赫兹技术可以产生、探测和应用太赫兹波,这一技术在过去10年左右得到了发展,在一定程度上缩小了太赫兹的差距。但是传统光学元件能够操纵太赫兹波的性能和尺寸并没有跟上这种快速的发展。一个原因是缺乏适合太赫兹波段的天然材料。

然而,东京农业科技大学(TUAT)的研究人员在副教授兼太赫兹波工程师铃木武人(Takehito Suzuki)的带领下,最近开发出了一种光学元件,这种元件可以更容易地操纵t射线,而且采用了一种实用的方式——使用一种自然界中不存在的材料。

传统上,可以操纵t射线的准直器——一种使光束或波变窄的设备,通常由曲面透镜或镜面组成——是由天然材料制成的庞大的三维结构。

但是TUAT的研究人员Takehito Suzuki, Kota Endo和Satoshi Kondoh已经设计出了一种超薄(2.22微米)的准直仪,它是由一种“超表面”材料制成的,这种材料被设计成具有在自然界中不可能或很难找到的特性。这些特性并不是由组成它们的金属或塑料基本物质产生的,而是由这些物质的几何形状和微小重复模式的排列方式决定的,这些模式能以自然物质无法做到的方式弯曲电磁波。

在这种情况下,这种材料具有极高的折射率(光通过它的速度)和较低的反射率(光撞击表面后反射的比例)。准直器由339对元原子组成,这些元原子的排列使得折射率从器件的外部向中心集中增加。

“超表面设计是前所未有的,”铃木说,“提供了更高的性能,应该会加速广泛应用的开发,包括下一代无线通信(6G/7G),甚至热辐射控制设备。”