太赫兹：看不见的幽灵却透视一切

太赫兹是指100GHz-10THz的电磁辐射，波长在0.03mm—3mm范围。人类社会存在诸如电磁波、震动波、伽马射线、X射线等各式各样的光波，而太赫兹波是人类迄今为止了解最少、开发最少的一个波段。

但是自从被人类发现以来，太赫兹已经在中国、美国、日本等多个国家的科研单位占据重要位置，甚至被评为可改变未来世界的十大技术之一。太赫兹波具有穿透性强、使用安全性高、定向性好、带宽高等技术特性。也正是因为这些特性，不管在医疗、安检还是战争中，太赫兹技术将发挥无与伦比的作用。

为什么要研究太赫兹？

太赫兹（Terahertz，简称THz）波，通常是指频率在0.1—10THz（波长在0.03mm—3mm）波段的电磁波，它的长波段与毫米波（亚毫米波）相重合，其发展主要依靠电子学科学技术；而它的短波段与红外线（远红外）相重合，其发展主要依靠光子学科学技术，所以太赫兹波是宏观电子学与微观光子学研究的交叉领域，对于电子学与光子学研究的相互借鉴和相互融合具有重要的科学意义和极大的研究价值。

“由于太赫兹处于特殊的频谱位置，其信号发生、检测，无论从微波的方式向上扩展，还是从光学的方式向下扩展都是困难重重，因此太赫兹技术被提出100多年后依然发展缓慢。”中国电科41所邓建钦博士说。

现代太赫兹科学与技术的真正发展是在20世纪80年代中期，随着一系列新技术、新材料的发展，“太赫兹技术在光学领域有一个近年来为大众所熟知的名字——远红外线”。中国科学院院士姚建铨在接受采访时说，太赫兹科综合了电子学与光子学的特色，涉及物理学、化学、光学工程、材料科学、半导体科学技术、真空电子学、电磁场与微波技术、微波毫米波电子学等学科，是一个典型的交叉前沿科技领域。

姚建铨院士认为，正是因为太赫兹射线展现出的诸多优越特性，能量低、对许多生物大分子表现出很强的吸收和谐振、能够以很小的衰减穿透物质、信噪比很高、带宽宽等，可以应用于国防、安全、天文、医疗、科研等诸多领域。也因此成为世界各国争相进发的领域。

有效弥补X射线的不足

据介绍，太赫兹波具有穿透性强、使用安全性高、定向性好、带宽高等技术特性。如果要清晰地理解太赫兹技术特性，就要将其与目前最为流行的X射线相对比。

无论是医学应用、安全监测还是其它监测，目前应用最为广泛的就是X射线。X射线实质是一种波长非常短的电磁波，在物理特性上，X射线不带电，故而不受外界磁场或电场的影响，由于X射线波长短具有较高能量，物质对它吸收弱，因此具有很强的穿透本领。

而太赫兹也有很强的穿透本领，但是不同的是，太赫兹光子能量为4.1meV（毫电子伏特），只是X射线光子能量的107—108分之一。

相比之下，具有足够能量的X射线，能使生物体产生生物效应，特别是一些增殖性强的细胞，经一定量的X射线照射后，可产生拟制、损伤甚至坏死。但是低能量的太赫兹在生物体内就不会产生电离，是X射线成像和超声波成像技术的有效互补。此外，X射线还会产生热作用，当X射线被物质吸收，最终绝大部分都将变成热能，使物体温度升高。这些特性既是X射线的优点，同时也是其在某些检测过程中的缺憾，而太赫兹则可以提供另外一种方式，比如可用于安检或质检过程中的无损检测。

对物体进行三维立体成像

在太赫兹众多的特性中，穿透性强目前最受重视，尤其是在安检中的应用，具有极大的效果。太赫兹电磁信号能以较低的衰减穿透衣物、皮箱、陶瓷、硬纸板、塑料制品非极性材料等；而对于极性物质比如水或金属有强烈的吸收和反射作用。

太赫兹技术还可对物体进行三维立体成像，对各类物体来个全身高精度写真。美国研究人员利用频率为1太赫兹的电磁波对航天材料进行安全体检，可成功检测出隐藏在材料内部的缺陷，避免相关设备由于材料的微小瑕疵在飞入太空后功亏一篑。同时，其低能量的特性还可以保证在透视所有的物体时不会对该物体产生破坏性的影响。目前，太赫兹技术已在战略导弹、航空航天结构材料监测评估中发挥重要作用，美国甚至已经利用其检测系统来确保F—35战斗机的生产质量。

特有“指纹谱”精准识别各类物质

除用于探测爆炸物外，利用太赫兹精确的“指纹谱”还可对各类物质进行分析识别。太赫兹波段包含了丰富的物理和化学信息。大多极性分子和生物大分子的振-转能级跃迁都处在太赫兹波段，所以根据这些指纹谱，太赫兹光谱成像技术能够分辨物体的形貌，鉴别物体的组分，分析物体的物理化学性质，为缉毒、反恐、排爆等提供相关的理论依据和探测技术。

2014年6月，德国研究人员利用太赫兹扫描仪，几秒钟内便可确定其内部物质的太赫兹“指纹谱”，经过与数据库的比对就能确定物品内部的具体名称。

鉴于其特性，水对太赫兹辐射有极强的吸收，所以该辐射不会穿透人体的皮肤，对人体是很安全的。同时水和其他组织对太赫兹波具有不同的吸收率，因此它可广泛应用于对人体局部成像和疾病的医疗诊断上，比如对于皮肤癌和乳腺癌等的检测。太赫兹波段包含了大量的光谱信息，对不同的分子，尤其是有机大分子会呈现出不同的吸收和色散特性，因而可以有效地用于测定分子特性，在生命科学领域有着广泛的应用前景，比如测定DNA的束缚状态、生物组织的特征和蛋白质复合物等。

中科院重庆太赫兹技术研究中心主任崔洪亮早前接受采访时强调，当患者处于癌症早期时，癌细胞在人体血液或体液内的含量虽然非常少，但太赫兹波技术却能检测到，“这可以比传统检测技术提早6个月左右。对癌症患者而言，早期发现、早期诊断有助于癌症的根治”。

未来战场新利器

优秀的科技成果往往会优先应用于战场之上，由于太赫兹波在电磁频谱中占有特殊位置，具备微波和红外辐射所不具有的独特属性，因此利用太赫兹频率高、波长短且在浓烟、沙尘等环境中传输损耗少等特性，可无障碍透视墙体进而对房屋内部进行扫描，是复杂战场环境下成像寻敌的理想技术。尤其是太赫兹技术在塑料凶器、陶瓷手枪、塑胶炸弹、流体炸药和人体炸弹等检测识别上更加“精准高效”，战场上的战士不再需要靠近可疑地段或人员便可进行检查，大大提高安全性。

容量大、高保密的宽带近距离通信是太赫兹频段的一大应用。从通信距离来看，由于太赫兹在空气中传播时很容易被水分所吸收，信号衰减严重，存在着传输距离的“短板”。但是，在某些情况下，有限的传输距离反而能成为优势：因为大气衰减能使信号根本无法传播到远处的无线电技术监听设备，可实现隐蔽安全的近距离通信。

2016年10月25日，中国航天科工集团二院23所开展外场试验，获得了国内首幅太赫兹波段外场SAR（合成孔径雷达）图像，主要技术指标和成像算法得到了试验验证。据悉，这是航天科工集团首部太赫兹雷达样机。该系统的成功研制标志着太赫兹波段雷达成像关键技术取得突破性成果，为太赫兹雷达工程应用奠定了技术基础。

采用合成孔径技术的太赫兹雷达，使用的太赫兹波长要远远小于微波雷达所采用的电磁波，因此具有更高的分辨率和信噪比，获取比微波雷达更清晰的目标外形特征，从而提高目标图像的分辨率。此外，太赫兹合成孔径雷达还具有优良的穿透沙尘烟雾的能力，可实现全天时、全天候战场态势感知，在军事侦察、军事测绘以及空间态势感知等领域中有着广阔的应用前景。

隐身武器目前大行其道，依靠的就是在普通雷达波的眼皮子底下招摇过市的本领。但是太赫兹可让隐身武器无处遁形。隐身技术主要靠形状、吸波涂层、形成等离子云吸收或改变雷达波传播方向等来实现隐身，这些绝招太赫兹几乎全部“免疫”。太赫兹波波长远小于微波与毫米波的波长，因而可用于探测更小目标并实现更精确定位。同时，太赫兹波又包含了丰富的频率和宽广的带宽，能以成千上万种频率发射纳秒级脉冲，进而大大超出现有隐身技术的“屏蔽”范围。

太赫兹应用

反隐身侦查：“隐身”其实是相对于雷达波来讲，实际上就是让雷达波有来无回，并不能在接触到隐身物体之后再“反弹”回雷达，以便于探测与发现该隐身物体。但是由于太赫兹的独特性质，让隐身技术并不能有效做到应对普通雷达波时的作用，因此，隐身也就无处可隐。

近距离隐蔽通信：由于太赫兹在空气中传播时很容易被水分所吸收，信号衰减严重，存在着传输距离的“短板”。但是，塞翁失马焉知非福，正是因为这种短板才能使信号根本无法传播到远处的无线电技术监听设备，可实现隐蔽安全的近距离通信。

战场态势感知：由于太赫兹波在电磁频谱中占有特殊位置，具备微波和红外辐射所不具有的独特属性，因此利用太赫兹频率高、波长短且在浓烟、沙尘等环境中传输损耗少等特性，可无障碍透视墙体进而对房屋内部进行扫描，是复杂战场环境下成像寻敌的理想技术。

疾病诊断：水和其他组织对太赫兹波具有不同的吸收率，因此它可广泛应用于对人体局部成像和疾病的医疗诊断上，比如对于皮肤癌和乳腺癌等的检测。太赫兹波段包含了大量的光谱信息，对不同的分子，尤其是有机大分子会呈现出不同的吸收和色散特性，因而可以有效地用于测定分子特性。

人体安检：既能克服X射线对人体有害的弊端，也能充分发挥其穿透性好的功能，使得人身上所携带的任何违禁品无处遁形，而且还可以实现快速检查。