太赫茲：看不見的幽靈卻透視一切

太赫茲是指100GHz-10THz的電磁輻射，波長在0.03mm—3mm范圍。人類社會存在諸如電磁波、震動波、伽馬射線、X射線等各式各樣的光波，而太赫茲波是人類迄今為止了解最少、開發最少的一個波段。

但是自從被人類發現以來，太赫茲已經在中國、美國、日本等多個國家的科研單位占據重要位置，甚至被評為可改變未來世界的十大技術之一。太赫茲波具有穿透性強、使用安全性高、定向性好、帶寬高等技術特性。也正是因為這些特性，不管在醫療、安檢還是戰爭中，太赫茲技術將發揮無與倫比的作用。

南方日報駐京記者 王騰騰 策劃 李江萍

為什么要研究太赫茲？

太赫茲（Terahertz，簡稱THz）波，通常是指頻率在0.1—10THz（波長在0.03mm—3mm）波段的電磁波，它的長波段與毫米波（亞毫米波）相重合，其發展主要依靠電子學科學技術；而它的短波段與紅外線（遠紅外）相重合，其發展主要依靠光子學科學技術，所以太赫茲波是宏觀電子學與微觀光子學研究的交叉領域，對于電子學與光子學研究的相互借鑒和相互融合具有重要的科學意義和極大的研究價值。

“由于太赫茲處于特殊的頻譜位置，其信號發生、檢測，無論從微波的方式向上擴展，還是從光學的方式向下擴展都是困難重重，因此太赫茲技術被提出100多年后依然發展緩慢。”中國電科41所鄧建欽博士說。

現代太赫茲科學與技術的真正發展是在20世紀80年代中期，隨著一系列新技術、新材料的發展，“太赫茲技術在光學領域有一個近年來為大眾所熟知的名字——遠紅外線”。中國科學院院士姚建銓在接受采訪時說，太赫茲科綜合了電子學與光子學的特色，涉及物理學、化學、光學工程、材料科學、半導體科學技術、真空電子學、電磁場與微波技術、微波毫米波電子學等學科，是一個典型的交叉前沿科技領域。

姚建銓院士認為，正是因為太赫茲射線展現出的諸多優越特性，能量低、對許多生物大分子表現出很強的吸收和諧振、能夠以很小的衰減穿透物質、信噪比很高、帶寬寬等，可以應用于國防、安全、天文、醫療、科研等諸多領域。也因此成為世界各國爭相進發的領域。

有效彌補X射線的不足

據介紹，太赫茲波具有穿透性強、使用安全性高、定向性好、帶寬高等技術特性。如果要清晰地理解太赫茲技術特性，就要將其與目前最為流行的X射線相對比。

無論是醫學應用、安全監測還是其它監測，目前應用最為廣泛的就是X射線。X射線實質是一種波長非常短的電磁波，在物理特性上，X射線不帶電，故而不受外界磁場或電場的影響，由于X射線波長短具有較高能量，物質對它吸收弱，因此具有很強的穿透本領。

而太赫茲也有很強的穿透本領，但是不同的是，太赫茲光子能量為4.1meV（毫電子伏特），只是X射線光子能量的107—108分之一。

相比之下，具有足夠能量的X射線，能使生物體產生生物效應，特別是一些增殖性強的細胞，經一定量的X射線照射后，可產生擬制、損傷甚至壞死。但是低能量的太赫茲在生物體內就不會產生電離，是X射線成像和超聲波成像技術的有效互補。此外，X射線還會產生熱作用，當X射線被物質吸收，最終絕大部分都將變成熱能，使物體溫度升高。這些特性既是X射線的優點，同時也是其在某些檢測過程中的缺憾，而太赫茲則可以提供另外一種方式，比如可用于安檢或質檢過程中的無損檢測。

對物體進行三維立體成像

在太赫茲眾多的特性中，穿透性強目前最受重視，尤其是在安檢中的應用，具有極大的效果。太赫茲電磁信號能以較低的衰減穿透衣物、皮箱、陶瓷、硬紙板、塑料制品非極性材料等；而對于極性物質比如水或金屬有強烈的吸收和反射作用。

太赫茲技術還可對物體進行三維立體成像，對各類物體來個全身高精度寫真。美國研究人員利用頻率為1太赫茲的電磁波對航天材料進行安全體檢，可成功檢測出隱藏在材料內部的缺陷，避免相關設備由于材料的微小瑕疵在飛入太空后功虧一簣。同時，其低能量的特性還可以保證在透視所有的物體時不會對該物體產生破壞性的影響。目前，太赫茲技術已在戰略導彈、航空航天結構材料監測評估中發揮重要作用，美國甚至已經利用其檢測系統來確保F—35戰斗機的生產質量。

特有“指紋譜”精準識別各類物質

除用于探測爆炸物外，利用太赫茲精確的“指紋譜”還可對各類物質進行分析識別。太赫茲波段包含了豐富的物理和化學信息。大多極性分子和生物大分子的振-轉能級躍遷都處在太赫茲波段，所以根據這些指紋譜，太赫茲光譜成像技術能夠分辨物體的形貌，鑒別物體的組分，分析物體的物理化學性質，為緝毒、反恐、排爆等提供相關的理論依據和探測技術。

2014年6月，德國研究人員利用太赫茲掃描儀，幾秒鐘內便可確定其內部物質的太赫茲“指紋譜”，經過與數據庫的比對就能確定物品內部的具體名稱。

鑒于其特性，水對太赫茲輻射有極強的吸收，所以該輻射不會穿透人體的皮膚，對人體是很安全的。同時水和其他組織對太赫茲波具有不同的吸收率，因此它可廣泛應用于對人體局部成像和疾病的醫療診斷上，比如對于皮膚癌和乳腺癌等的檢測。太赫茲波段包含了大量的光譜信息，對不同的分子，尤其是有機大分子會呈現出不同的吸收和色散特性，因而可以有效地用于測定分子特性，在生命科學領域有著廣泛的應用前景，比如測定DNA的束縛狀態、生物組織的特征和蛋白質復合物等。

中科院重慶太赫茲技術研究中心主任崔洪亮早前接受采訪時強調，當患者處于癌癥早期時，癌細胞在人體血液或體液內的含量雖然非常少，但太赫茲波技術卻能檢測到，“這可以比傳統檢測技術提早6個月左右。對癌癥患者而言，早期發現、早期診斷有助于癌癥的根治”。

未來戰場新利器

優秀的科技成果往往會優先應用于戰場之上，由于太赫茲波在電磁頻譜中占有特殊位置，具備微波和紅外輻射所不具有的獨特屬性，因此利用太赫茲頻率高、波長短且在濃煙、沙塵等環境中傳輸損耗少等特性，可無障礙透視墻體進而對房屋內部進行掃描，是復雜戰場環境下成像尋敵的理想技術。尤其是太赫茲技術在塑料兇器、陶瓷手槍、塑膠炸彈、流體炸藥和人體炸彈等檢測識別上更加“精準高效”，戰場上的戰士不再需要靠近可疑地段或人員便可進行檢查，大大提高安全性。

容量大、高保密的寬帶近距離通信是太赫茲頻段的一大應用。從通信距離來看，由于太赫茲在空氣中傳播時很容易被水分所吸收，信號衰減嚴重，存在著傳輸距離的“短板”。但是，在某些情況下，有限的傳輸距離反而能成為優勢：因為大氣衰減能使信號根本無法傳播到遠處的無線電技術監聽設備，可實現隱蔽安全的近距離通信。

2016年10月25日，中國航天科工集團二院23所開展外場試驗，獲得了國內首幅太赫茲波段外場SAR（合成孔徑雷達）圖像，主要技術指標和成像算法得到了試驗驗證。據悉，這是航天科工集團首部太赫茲雷達樣機。該系統的成功研制標志著太赫茲波段雷達成像關鍵技術取得突破性成果，為太赫茲雷達工程應用奠定了技術基礎。

采用合成孔徑技術的太赫茲雷達，使用的太赫茲波長要遠遠小于微波雷達所采用的電磁波，因此具有更高的分辨率和信噪比，獲取比微波雷達更清晰的目標外形特征，從而提高目標圖像的分辨率。此外，太赫茲合成孔徑雷達還具有優良的穿透沙塵煙霧的能力，可實現全天時、全天候戰場態勢感知，在軍事偵察、軍事測繪以及空間態勢感知等領域中有著廣闊的應用前景。

隱身武器目前大行其道，依靠的就是在普通雷達波的眼皮子底下招搖過市的本領。但是太赫茲可讓隱身武器無處遁形。隱身技術主要靠形狀、吸波涂層、形成等離子云吸收或改變雷達波傳播方向等來實現隱身，這些絕招太赫茲幾乎全部“免疫”。太赫茲波波長遠小于微波與毫米波的波長，因而可用于探測更小目標并實現更精確定位。同時，太赫茲波又包含了豐富的頻率和寬廣的帶寬，能以成千上萬種頻率發射納秒級脈沖，進而大大超出現有隱身技術的“屏蔽”范圍。

太赫茲應用

反隱身偵查：“隱身”其實是相對于雷達波來講，實際上就是讓雷達波有來無回，并不能在接觸到隱身物體之后再“反彈”回雷達，以便于探測與發現該隱身物體。但是由于太赫茲的獨特性質，讓隱身技術并不能有效做到應對普通雷達波時的作用，因此，隱身也就無處可隱。

近距離隱蔽通信：由于太赫茲在空氣中傳播時很容易被水分所吸收，信號衰減嚴重，存在著傳輸距離的“短板”。但是，塞翁失馬焉知非福，正是因為這種短板才能使信號根本無法傳播到遠處的無線電技術監聽設備，可實現隱蔽安全的近距離通信。

戰場態勢感知：由于太赫茲波在電磁頻譜中占有特殊位置，具備微波和紅外輻射所不具有的獨特屬性，因此利用太赫茲頻率高、波長短且在濃煙、沙塵等環境中傳輸損耗少等特性，可無障礙透視墻體進而對房屋內部進行掃描，是復雜戰場環境下成像尋敵的理想技術。

疾病診斷：水和其他組織對太赫茲波具有不同的吸收率，因此它可廣泛應用于對人體局部成像和疾病的醫療診斷上，比如對于皮膚癌和乳腺癌等的檢測。太赫茲波段包含了大量的光譜信息，對不同的分子，尤其是有機大分子會呈現出不同的吸收和色散特性，因而可以有效地用于測定分子特性。

人體安檢：既能克服X射線對人體有害的弊端，也能充分發揮其穿透性好的功能，使得人身上所攜帶的任何違禁品無處遁形，而且還可以實現快速檢查。