高大上的“太赫兹”究竟有什么作用

高大上的“太赫兹”究竟有什么作用

在电磁波谱中有一段尚未被人类有效认识和利用的真空地带，其频率范围为100 GHz-10 THz（Terahertz，1×10e¹² Hz），位于微波和红外辐射之间，这就是“太赫兹空隙”。长期以来，在微波、可见光、红外等技术被广泛应用的情况下，太赫兹在科研和应用方面却相对滞后，主要原因是缺少有效的太赫兹探测器和发射源，直到近十几年，随着科研手段的提高，人们在这一领域的研究才有了较大的发展。这个特殊波段被认为将开启本世纪的科技前沿革命。2000年，欧盟设立了国际联合项目“THz-Bridge”；2004年，美国政府将太赫兹技术评为“改变未来世界的十大技术”之一；2005年，日本将太赫兹技术列为“国家支柱十大重点战略目标”之首；同年，在我国举行了以“太赫兹科学技术的新发展”为主题的香山科学会议，为国内太赫兹技术的大力发展奠定了基础。

太赫兹波段在电磁波谱中的位置

由于太赫兹波在电磁波谱中所处的特殊位置，与其他波段的辐射相比，具有许多独特的优点。与微波、毫米波相比，太赫兹的频率很高，所以其空间分辨率也很高；太赫兹脉冲很短，所以具有更高的时间分辨率。与红外辐射相比，太赫兹波可以更容易地穿过沙尘、烟雾，受恶劣气候条件的影响比较小，并且具有更宽的视场搜索范围。与X射线相比，太赫兹能量很小，不会对物质产生破坏作用，另外，太赫兹波能够穿透大多数非极性材料，并且生物大分子的振动和转动频率的共振频率在太赫兹波段，适合对生物组织进行活体检查。太赫兹的上述特性在光谱成像、无损检测、安全检查、生物医疗、保密雷达、射电天文、宽带通信等领域具有广阔的应用前景。

一、医学诊断及成像

传统的人体透视和摄片都使用X射线，但X射线对人体会带来副作用。太赫兹波也具有类似X射线的穿透能力，但其光子能量小，对人体的辐射能量比X光小100万倍，因此不会对人体造成辐射性伤害。另外，X光穿透性很强，无法细致区分正常细胞与癌细胞，超声波穿透性又稍弱，照射不到细胞内部，只能“看到”直径大于1毫米的癌症肿瘤。而太赫兹波却恰好能够检测到细胞内部生化信号的变化，分辨出正常细胞和癌细胞的不同。

二、反恐与安全检查

太赫兹可以轻易穿透塑料、衣物、纸盒等非极性和非金属材料，能有效探测和识别出藏在包裹、信件和衣服中的枪支、毒品、炸药等危险品。虽然太赫兹不能完全代替X光，但却有X光做不到的一些优势。X光和超声波能发现物质的轮廓和状态，却无法侦测到物体的化学性质，无法分辨爆炸物品和药品的区别，然而太赫兹却可以做到，这对国际上的反恐斗争具有特别的意义。目前，利用太赫兹遥感能准确发现30米内的爆炸物品，这是远远优于其他安检手段的。美国ProVision系列已在欧美多个机场投入使用，而国内相关院所也在陆续开发具有自主知识产权的安检样机，相信不久的将来可以实现批量的市场化投放。

太赫兹在安检中的应用

太赫兹成像能够发现航天飞机机体蒙皮的泡沫层之间以及泡沫与金属座之间多余的气泡和缝隙，2003年，美国的“哥伦比亚号”航天飞机失事后，科学家们参与事故分析。他们利用太赫兹波进行检测，发现材料里有90多个缺陷是对安全有害的，并且检漏率只有百分之几。而X射线和超声波等传统的无损探伤测试技术却很难发现这类缺陷。因此，美国国家航空航天局正在考虑采用太赫兹辐射作为其飞行前质量控制计划的一部分。

太赫兹对泡沫材料中缺陷的无损检测

三、通信雷达

太赫兹波是很好的宽带信息载体，在网络通信方面有很大的应用前景，尤其在卫星间、星地间的无线通信，高速局域网通信方面具有巨大优势。太赫兹波的频率是目前手机通信频率的1000倍左右，利用太赫兹波实现超宽带高速无线通信。当前，国际通讯联盟已指定下一代地面无线通信的频段0.12 THz，太赫兹技术将成为6G或7G通讯的基础，人类将全面进入太赫兹通信时代。图中所示为日本NTT公司开发的120 GHz通信系统，已经在千米距离实现了10 Gbps的无线通信，并应用于2008年北京奥运会的节目转播。

日本NTT公司的120 GHz宽带无线通信系统

在雷达探测方面，与微波雷达相比，太赫兹可以探测到更小的目标，实现更精确的定位，具有更强的保密性及反隐身能力。与激光雷达相比，太赫兹能够实现更宽的探测视场范围和更好的搜索能力，在雾、雨、沙尘等恶劣天气条件下可以进行全天候工作。

四、射电天文

太赫兹在天文遥感中应用潜力具有很大的吸引力。在宇宙中，大量的物质在发出太赫兹电磁波，如下图所示，来自星际物质的太赫兹波会包含各种气态分子的信息。通过对碳、水、一氧化碳、氮、氧等大量分子在太赫兹波段进行探测，可以获得气态分子压力、温度、气流速度等信息，也可以获得由星际尘埃构成的螺旋星系的空间结构。此外，遥远星系的辐射由于宇宙膨胀偏移到了太赫兹波段，因此利用太赫兹波还可以探测宇宙的演化。

太赫兹波对遥远星系的观测

太赫兹技术前景预测

可以预见，太赫兹技术将对技术创新、国民经济发展以及国家军事安全等领域产生深远的影响。作为极具发展潜力的新技术，太赫兹成像医疗系统将能用来诊断、治疗癌症等疾病，工业太赫兹系统能被用于国防安检和质量控制应用，太赫兹通讯体系将提供一种史无前例超宽带的通信频段，实现超高速超高清的无线传输，太赫兹传感系统将对环境系统和空间科学提供有力的研究工具。