陕西省科学技术协会科普专栏 走进我们生活的太赫兹波

说到激光、红外光和微波等，大家都不陌生，而说到“太赫兹”这个词，知道的人可能就少了。太赫兹波是什么？在我们的生活中有没有应用到它的地方？西安理工大学教授、博士生导师，中国科学院超快诊断技术重点实验室学术委员施卫讲述有关太赫兹波的那些事儿。

什么是太赫兹

“说太赫兹，大家可能觉得陌生，说到杭州G20峰会期间使用的被动式太赫兹人体安检仪就熟悉一些了。”施卫讲道，“太”是一个数量级单位，跟我们平时经常听到的“千”、“兆”、“吉”等等是一样的。你的手机有16G空间，这里的G就是“吉”，而你的网络硬盘有5T，这里的T就是“太”。“赫兹”是一个频率单位，所以“太赫兹”就是表示一个频率范围，频率在0.1到3太赫兹之间，所对应的波长在1毫米和0.1毫米之间。因此，在电子学领域，太赫兹频段的电磁波又被人们称为毫米波或亚毫米波；而在光学领域，其被称为远红外射线。

太赫兹频段的电磁波具有很多独特的性能，太赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿领域，给技术创新、国民经济发展和国家安全提供了一个非常诱人的机遇。

施卫说，2004年，美国政府将太赫兹技术定位为“改变未来世界的十大技术”之一；2005年，日本更是将其列为“国家支柱十大重点战略目标”之首，举全国之力进行研发。太赫兹因此成为本世纪最为重要的新兴学科之一。我国在2005年11月专门召开了“香山科技会议”，邀请国内多位在太赫兹研究领域有影响的院士讨论我国太赫兹事业的发展方向，并制定了我国太赫兹技术的发展规划，目前国内已经有多家研究机构开展太赫兹领域的相关研究。

太赫兹波不会对人体造成有害的光电离

20世纪80年代以前，人们对太赫兹波段两侧的红外和微波技术研究相对比较成熟，并且广泛应用于探测、成像、通讯等相关领域。尽管太赫兹波段处于微波和红外光之间，但其产生机理与微波和红外光有着本质的区别；另外，由于太赫兹波段的自身特性以及缺乏有效的太赫兹产生和探测技术手段，导致了早期人们对太赫兹波的认识、研究和应用成为空白，被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙”。

太赫兹射线有它自身的特点，太赫兹光子的能量低，频率为1THz的光子能量只有约4毫电子伏特，因此不会对生物组织造成有害的光致电离、不容易破坏被检测物质。许多的非金属非极性材料对太赫兹射线的吸收较小，因此结合相应的技术，使得探测材料内部信息成为可能。例如，陶瓷、硬纸板、塑料制品、泡沫等对太赫兹电磁辐射是透明的，因此太赫兹技术可以用于各种安全监测，用于机场、车站等地方，比如探查隐藏的走私物品包括枪械、爆炸物和毒品等，以及用于集成电路焊接情况的检测等。

施卫说，极性物质对太赫兹电磁辐射的吸收比较强，特别是水，但可以利用这一特性分辨生物组织的不同状态，比如动物组织中脂肪和肌肉的分布，诊断人体烧伤部位的损伤程度，及植物叶片组织的水分含量分布等。

可见，安全性好，是太赫兹波的特性之一。

生物医学上也有太赫兹的身影

中国工程院院士杜祥琬院士指出，在所有物理技术中，电磁波技术对医学的促进作用尤其突出。从1901年X线获得第一届诺贝尔物理学奖开始，已有5项与生物医学相关的诺贝尔奖授予了X光谱技术领域。

太赫兹技术在生物医学方面的应用，生物大分子相互作用是重大生命现象与病变产生的关键动因，而太赫兹光子能量覆盖了生物大分子空间构象的能级范围。该频段包含了其他电磁波段无法探测到的直接代表生物大分子功能的空间构象等重要信息。因此，可以发展一种利用太赫兹探测和干预生物大分子相互作用过程的新理论和新技术，为当前重大疾病诊断、有效干预提供先进的技术手段。

中国工程物理研究院流体物理研究所李泽仁研究员也表示，目前通过国家对太赫兹源、探测器及成像系统等关键技术与仪器设备的大力支持，我国已基本具备开展太赫兹生物医学研究的基础。

说说神奇的穿墙雷达

太赫兹雷达实际上也是成像的一种，鉴于大气中水分对太赫兹射线的强吸收作用，所以选择合适的太赫兹频率和近距离使用的雷达是太赫兹雷达成像的优势所在。一个非常让人向往的应用是穿墙雷达，当然也可以用于抗震救灾中遇难者的搜救，目前还处于研发阶段。这是由于墙壁、木材等材料对太赫兹透过，而人体包含大量水分，不透过太赫兹，因此可以透过墙壁侦察到屋内人员的分布和活动，对反恐怖反绑架起到深远的影响，同理也可以用于废墟下人体的寻找。

太赫兹在天文和通信上的应用

浩瀚的宇宙中，人类要想深入地探知它，在现有仪器设备的基础上，还需要更为先进的技术和设备。宇宙中有大量的物质在发出太赫兹电磁波，碳（C）、水（H2O）、一氧化碳（CO）、氮（N2）、氧（O2）等大量的分子可以在太赫兹频段进行探测。“在没有应用太赫兹技术的时候，这些物质有一部分是根本无法探测的，还有一部分只能在海拔很高或者月球表面才可以探测到。”

施卫说，太赫兹还可以应用于通信，可以获得10GB/s的无线传输速度，特别是卫星通信，由于在外太空，近似真空的状态下，不用考虑水分的影响，这比当前的超宽带技术快几百至1000多倍。这就使得太赫兹通信可以以极高的带宽进行高保密卫星通信。虽然由于缺乏高效的太赫兹发射天线和发射源，使其还无法在通信领域商业化，但这必将由新型的发射装置和发射源所解决。

太赫兹技术应用于安检

施卫介绍，利用安全检查应该说是现阶段最吸引人的太赫兹技术，它的基本原理是太赫兹波对于许多介电材料和非极性物质具有很强的穿透力，如塑料、陶瓷、箱包、包装材料等，可以用来对不透明的物体进行透视成像，以探测物质或密封包装材料的内部信息。所谓太赫兹成像技术是利用太赫兹射线照射被测物，通过物品的透射或反射获得样品的信息，进而成像。太赫兹成像技术可以分为脉冲和连续两种方式。由于太赫兹射线的穿透性和对金属材料的强反射特性，并且太赫兹的高频率使得成像的分辨率更高，所以可以很容易看到隐藏在衣物、鞋内的刀具、枪械等物品。同时如果结合太赫兹的物质鉴别特性，能够区分身上是否携带炸药或毒品。

太赫兹为我们生活带来深远影响

太赫兹技术的应用是广泛的，在半导体材料、高温超导材料的性质研究等领域也有广泛的应用。研究该频段不仅将推动理论研究工作的重大发展，而且对固态电子学和电路技术也将提出重大挑战。

施卫介绍，笼统地说，太赫兹技术的研究主要围绕三大部分内容展开，太赫兹波产生源、传输、探测和应用研究。目前最大的困难还是没有高功率便携式连续可调的成本较低的太赫兹发射源，满足现实要求的滤光片等功能器件，另外也没有能够常温下直接探测太赫兹射线的高性能探测器。

太赫兹电磁波的独特性能给通信（宽带通信）、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像（无标记的基因检查、细胞水平的成像）、无损检测、安全检查（生化物的检查）等领域带来了深远的影响。

本报记者王嘉

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