高大上的「太赫茲」究竟有什麼作用？

在電磁波譜中有一段尚未被人類有效認識和利用的真空地帶，其頻率範圍為100 GHz-10 THz（Terahertz，1×10e12 Hz），位於微波和紅外輻射之間，這就是「太赫茲空隙」。長期以來，在微波、可見光、紅外等技術被廣泛應用的情況下，太赫茲在科研和應用方面卻相對滯後，主要原因是缺少有效的太赫茲探測器和發射源，直到近十幾年，隨著科研手段的提高，人們在這一領域的研究才有了較大的發展。這個特殊波段被認為將開啟本世紀的科技前沿革命。2000年，歐盟設立了國際聯合項目「THz-Bridge」；2004年，美國政府將太赫茲技術評為「改變未來世界的十大技術」之一；2005年，日本將太赫茲技術列為「國家支柱十大重點戰略目標」之首；同年，在我國舉行了以「太赫茲科學技術的新發展」為主題的香山科學會議，為國內太赫茲技術的大力發展奠定了基礎。

太赫茲波段在電磁波譜中的位置

由於太赫茲波在電磁波譜中所處的特殊位置，與其他波段的輻射相比，具有許多獨特的優點。與微波、毫米波相比，太赫茲的頻率很高，所以其空間解析度也很高；太赫茲脈衝很短，所以具有更高的時間解析度。與紅外輻射相比，太赫茲波可以更容易地穿過沙塵、煙霧，受惡劣氣候條件的影響比較小，並且具有更寬的視場搜索範圍。與X射線相比，太赫茲能量很小，不會對物質產生破壞作用，另外，太赫茲波能夠穿透大多數非極性材料，並且生物大分子的振動和轉動頻率的共振頻率在太赫茲波段，適合對生物組織進行活體檢查。太赫茲的上述特性在光譜成像、無損檢測、安全檢查、生物醫療、保密雷達、射電天文、寬頻通信等領域具有廣闊的應用前景。

一、醫學診斷及成像

傳統的人體透視和攝片都使用X射線，但X射線對人體會帶來副作用。太赫茲波也具有類似X射線的穿透能力，但其光子能量小，對人體的輻射能量比X光小100萬倍，因此不會對人體造成輻射性傷害。另外，X光穿透性很強，無法細緻區分正常細胞與癌細胞，超聲波穿透性又稍弱，照射不到細胞內部，只能「看到」直徑大於1毫米的癌症腫瘤。而太赫茲波卻恰好能夠檢測到細胞內部生化信號的變化，分辨出正常細胞和癌細胞的不同。

二、反恐與安全檢查

太赫茲可以輕易穿透塑料、衣物、紙盒等非極性和非金屬材料，能有效探測和識別出藏在包裹、信件和衣服中的槍支、毒品、炸藥等危險品。雖然太赫茲不能完全代替X光，但卻有X光做不到的一些優勢。X光和超聲波能發現物質的輪廓和狀態，卻無法偵測到物體的化學性質，無法分辨爆炸物品和藥品的區別，然而太赫茲卻可以做到，這對國際上的反恐鬥爭具有特別的意義。目前，利用太赫茲遙感能準確發現30米內的爆炸物品，這是遠遠優於其他安檢手段的。美國ProVision系列已在歐美多個機場投入使用，而國內相關院所也在陸續開發具有自主知識產權的安檢樣機，相信不久的將來可以實現批量的市場化投放。

太赫茲在安檢中的應用

太赫茲成像能夠發現太空梭機體蒙皮的泡沫層之間以及泡沫與金屬座之間多餘的氣泡和縫隙，2003年，美國的「哥倫比亞號」太空梭失事後，科學家們參與事故分析。他們利用太赫茲波進行檢測，發現材料里有90多個缺陷是對安全有害的，並且檢漏率只有百分之幾。而X射線和超聲波等傳統的無損探傷測試技術卻很難發現這類缺陷。因此，美國國家航空航天局正在考慮採用太赫茲輻射作為其飛行前質量控制計劃的一部分。

太赫茲對泡沫材料中缺陷的無損檢測

三、通信雷達

太赫茲波是很好的寬頻信息載體，在網路通信方面有很大的應用前景，尤其在衛星間、星地間的無線通信，高速區域網通信方面具有巨大優勢。太赫茲波的頻率是目前手機通信頻率的1000倍左右，利用太赫茲波實現超寬頻高速無線通信。當前，國際通訊聯盟已指定下一代地面無線通信的頻段0.12 THz，太赫茲技術將成為6G或7G通訊的基礎，人類將全面進入太赫茲通信時代。圖中所示為日本NTT公司開發的120 GHz通信系統，已經在千米距離實現了10 Gbps的無線通信，並應用於2008年北京奧運會的節目轉播。

日本NTT公司的120 GHz寬頻無線通信系統

在雷達探測方面，與微波雷達相比，太赫茲可以探測到更小的目標，實現更精確的定位，具有更強的保密性及反隱身能力。與激光雷達相比，太赫茲能夠實現更寬的探測視場範圍和更好的搜索能力，在霧、雨、沙塵等惡劣天氣條件下可以進行全天候工作。

四、射電天文

太赫茲在天文遙感中應用潛力具有很大的吸引力。在宇宙中，大量的物質在發出太赫茲電磁波，如下圖所示，來自星際物質的太赫茲波會包含各種氣態分子的信息。通過對碳、水、一氧化碳、氮、氧等大量分子在太赫茲波段進行探測，可以獲得氣態分子壓力、溫度、氣流速度等信息，也可以獲得由星際塵埃構成的螺旋星系的空間結構。此外，遙遠星系的輻射由於宇宙膨脹偏移到了太赫茲波段，因此利用太赫茲波還可以探測宇宙的演化。

太赫茲波對遙遠星系的觀測

太赫茲技術前景預測

可以預見，太赫茲技術將對技術創新、國民經濟發展以及國家軍事安全等領域產生深遠的影響。作為極具發展潛力的新技術，太赫茲成像醫療系統將能用來診斷、治療癌症等疾病，工業太赫茲系統能被用於國防安檢和質量控制應用，太赫茲通訊體系將提供一種史無前例超寬頻的通信頻段，實現超高速超高清的無線傳輸，太赫茲感測系統將對環境系統和空間科學提供有力的研究工具。

TAG:EasyScience |

※誰先掌握太赫茲 誰就將佔據軍事制高點
※新型石墨烯基太赫茲吸收器誕生：未來應用前景好！
※誰先掌握太赫茲技術，誰就將佔據未來軍事制高點
※太赫茲雷達！中國六代機將給世界意想不到的驚喜：這特殊功能前所未有
※俄專家稱中國六代機上太赫茲雷達？能否解決這一難題才是關鍵
※俄羅斯專家所說的太赫茲雷達，會用在五代機、六代機上嗎？
※微小的太赫茲激光可以用於成像，化學檢測
※太赫茲技術介紹
※太赫茲技術在軍事和安全領域的應用
※太赫茲技術研究有新突破 有望無損檢測航空航天材料
※石墨烯和太赫茲「撞」出「火花」
※大功率太赫茲器件研製獲重大突破 填補國內空白
※太赫茲——反恐黑科技
※中國又一項黑科技！太赫茲雷達橫空出世，未來中國上空將不再有隱身飛機
※新型超穎材料：有效助推太赫茲技術發展
※交大團隊利用強激光在空氣中激發可控的太赫茲輻射
※中國研製出太赫茲雷達：讓隱身裝備無處遁形
※太赫茲技術獲得重大突破，行業進入高速發展期 附股
※中國太赫茲雷達能反制F22戰機？專家卻這樣說