“太赫兹+考古”揭开藏在文物里的秘密

创作于1777年的《献祭维斯塔》，是西班牙画家戈雅早期代表作之一。240多年过去，关于画作的一些秘密，被时间冲淡，掩盖于逐渐加深的颜料和漆层中。

而现代技术的加持，揭开了肉眼没法“窥探”的谜底。2013年，巴塞罗那的科学家们，利用Mini-Z太赫兹时域光谱系统对画作进行扫描成像分析后，在画作表层下发现了一处痕迹。

经对比，其与戈雅以往的签名一致。研究者推断，这是画家最早用铅笔留下的，后背覆盖。相较于其他电磁波探测技术，太赫兹对物质分子组成较为敏感，所以铅字和周围画布以及颜料的结构，在反射成像中分别有了不同的“表达”，从而被辨认了出来。

签名的发现，给与了画作最有力的认证。这次研究，被视为太赫兹技术应用的经典案例之一。

在中国文物保护和考古研究领域，太赫兹技术的应用场景更为多样，前景更为广阔。太赫兹应用的主要关键技术——太赫兹成像和成谱技术，在文物无损检测、材料分析上体现出的优势，亦受到了越来越多的关注。

近些年，在电子科技大学太赫兹研究中心（以下简称研究中心），科研工作者们也开辟了这一“赛道”，以期与灿烂的中国古老文明，产生更多意想不到的连接。

无损检测 太赫兹技术大有可为

2018年，研究中心负责人、教授胡旻去参加浙江大学校友会时，和浙江大学艺术与考古学院教授张晖聊起了中国古代壁画研究。

张晖提到了新疆克孜尔的壁画制作过程：古人一般先涂一层胶，然后再刷颜料。这种胶，是从植物或动物身上提取的脂类。

“是否可以运用太赫兹技术，去鉴定这些脂类，通过对比判断其到底是来自中原还是天竺？”对方的突然发问，一下子打开了胡旻的思路。

要想实现对文物原位、无损的检测，研究者们通常采用X射线、超声波、红外、拉曼光谱等电磁波技术对文物进行内部结构探测、真伪鉴定、成分分析等。

但在电磁波谱“少有人在意的角落”，太赫兹波（频率在 0.1~10THz，波长在3 ~0.03mm之间的电磁波）也有它独特的优势。

“与紫外、红外光相比，太赫兹辐射对很多介电材料和非极性的物质具有一定的穿透性，如陶瓷，木材、泥土、纸板等，而且对金属物体具有强烈的反射性。”胡旻表示，而且太赫兹辐射的光子能量只有X射线的万分之一，对人体无伤害，更不会引起电离反应，破坏文物。

此外，相较于X射线，太赫兹对物体分层较为敏感。太赫兹脉冲辐射拥有皮秒级脉宽，能有效地进行时间分辩研究。无需切开文物，研究者可根据不同物质层次间反射回的信号，获得内部层位信息实现层析成像。

太赫兹波的指纹谱特性，也决定了太赫兹技术在文物检测方面大有可为。太赫兹波的频段覆盖了大量物质分子的转动能级与振动能级，不同的物质分子在太赫兹光谱上所呈现的吸收特征也不一样，具有指纹般的唯一性。

目前利用太赫兹技术检测地沟油，就是基于这一原理。“同样，我们也可以去鉴定壁画上的脂类涂层，或者绘画作品上的颜料成分。”胡旻说道。

在国外，“太赫兹技术+文物考古”已不是新鲜事，但多见于绘画作品的检测。在国内，这项技术潜在的应用场景更丰富，漆器、壁画、泥塑......一些研究者也进行了探索和尝试。

“从中国科学院院士刘盛纲开始，我们几代人接力于太赫兹研究领域深耕了二十余年。”胡旻介绍，这个期间，团队最开始研究的是基础技术理论和器件，然后陆续搭建了一些简单的Demo系统，也在口腔医学、细胞成像等应用场景进行了探索。“但我总感觉拓展的应用点还是不够。”

和校友交流后，他有了谋划：“或许考古，是个新的契机？”

解密三星堆 探寻肉眼看不到的信息

与浙江大学艺术与考古学院建立联系后，经对方牵线搭桥，2019年，胡旻和团队又与四川省文物考古研究院、三星堆博物馆展开交流，后续就考古研究、文物保护和文化传承达成合作。

青铜器出土后，大多会有一层蓝绿色的铜锈层。锈层多厚，成分如何，分层结构怎样，都可以利用太赫兹时域光谱仪器进行测定。

在研究中心实验室，记者见到了发射太赫兹脉冲的终端——控制着检测探头的机械臂，其内部程序由研究中心自主开发完成。

胡旻和张晓秋艳向记者介绍机械臂。罗莎摄

系统启动后，机械臂会根据算法规划路径，沿着下方文物样品的法线，进行非接触式逐点扫描。“为了精准测定锈层厚度，或分层信息，机械臂会一直保持‘发射端-接收头’与样品表面的垂直。”胡旻介绍。

“锈层厚度测量和激光测距的原理类似。”他解释，不同点在于太赫兹波有穿透性，同一束波在样品内部不同界面都有相应的反射信号，并在时域太赫兹光谱上体现出不同的峰值。“采集两个峰值之间的延迟时间，结合光速、锈层折射率等信息，即可计算出锈层的厚度。”

近期的锈层测厚工作，迎来了一个“插曲”。在3号坑的挖掘工作中，青铜器的锈蚀层上出现了罕见的嫩黄色，经化验确定其成分为铅锡黄。已知信息显示，这类黄的使用只追溯到了14世纪初，通常作为颜料用于珐琅器和油画。

但铅锡黄需由人工制备，对温度要求极高。研究人员不禁好奇，距今大约3100-5000年前的三星堆青铜器上，这类黄从何而来？

为此，研究中心对样品上的铅锡黄的厚度进行了测定。

“分布很均匀！”第一时间看到这个结果后，团队成员庄羽轩十分兴奋：“如果是自然形成，不同湿度环境下，锈层一定厚薄不均，也许这真就是人为涂抹的。”但当团队拿着厚度测定和化学还原的结果与考古专家商讨后，他发现“还有很长的路要走”。

“现在只能初步判断这抹黄的形成，可能有人为干预。”胡旻说，但其到底是不是作为颜料制备而成，还是在自然腐蚀中产生，都有待进一步的讨论和研判。

庄羽轩对此感受颇深：因为技术检测的结果直观且绝对，所以会感到真相已在咫尺，但其实依旧相距甚远。这也让这群理工科学者，感受到了在历史中抽丝剥茧的乐趣。

对青铜器锈层成分的无损检测，也是研究中心跨界考古的一项重要工作。铜锈层中氯化铜的成分对文物会有腐蚀性，而碳酸铜则会形成“保护膜”，延缓青铜器的氧化和腐蚀。因此，测定锈层性质，对文物保护有着重要意义。

以往，考古人员会在尽量不破坏文物的情况下，于边角处刮下一点粉末，送去做拉曼光谱检测，以确定成分。

“现在，当机械臂将一束束人肉眼无法观察到的光波打到锈层后，我们通过返回信号得到其分子结构的指纹谱信息，就能反推其是‘好’锈或‘坏’锈。”研究中心成员、博士生张晓秋艳表示，研究中心正在创建标准化的物质成分太赫兹指纹谱数据库，为鉴别工作提供参考。

2021年胡旻团队和三星堆修复研究室展开交流。受访者供图

让太赫兹波“看”得更清

之所以能够顺利开拓太赫兹技术新的应用场景，离不开团队在基础研究方面的积累。

针对太赫兹波功率低的“短板”，团队解决了高功率辐射源的问题。“这也是我们‘起家’的本领。”张晓秋艳介绍，太赫兹功率又被称为动态范围，系太赫兹技术应用的一个关键参数，关系到探测的灵敏度。

“同时，我们还攻克了太赫兹超分辨成像的难题，目前成像水平精度能达到20纳米。”说到这，胡旻回忆起了发生在2018年的一件小事。

当时，一台从德国“远道而来”的基于太赫兹时域光谱的近场光学显微系统入驻了研究中心。可系统成像效果并不理想，团队便有了改装的想法。

“拆吗？”看着眼前花500多万买回的机器，张晓秋艳有点“下不了手”。

“没关系，拆！”胡旻一口回应。

在后续两年左右的时间里，大家一起先搭建了真空辐射源，又改进了光路零件和反射镜等，逐步摸透了系统的物理原理，一点点“孵化”出了国内首台基于大功率辐射源的太赫兹散射式扫描近场显微系统。

传统的太赫兹时域光谱成像技术受波长的衍射极限影响，使得太赫兹波在应用中只能“看清”300微米左右尺寸的物体，连头发丝都很难识别。

为此，在对原有设备进行改进的过程中，胡旻和团队引入了近场技术。该技术将太赫兹系统与原子力显微镜结合，利用原子力纳米级针尖将样品表面太赫兹近场散射出来，从而实现样品的太赫兹近场成像，分辨率可以达到纳米级别。

胡旻打了个比方，如果将太赫兹波的光斑看作整个屋子那么大，研究人员只想看到桌子上一个杯子对太赫兹波的响应。“现在我们可以通过一个‘针尖’，在这个屋子里进行扫描，从而获取我们想要的整个屋子里细节的信息。”

基于该技术，团队实现了太赫兹成像纳米级分辨率，甚至能“看到”单个蛋白质、单细胞、细菌对太赫兹的响应，为生物学领域提供一种全新的细菌辨识方法。

攻克太赫兹频段近场显微系统后，胡旻和团队也在从系统研发向产业化迈进。同时，他们将利用更高分辨率的太赫兹成像技术手段，继续推进文物保护工作。“除了对三星堆相关出土文物进行无损检测外，我们还计划针对文物颜料成分老化过程进行监测研究，为文物还原修复提供技术支持。”