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太赫茲波：開(kāi)啟人類新“視”界

來(lái)源：泰然健康網(wǎng) 時(shí)間：2025年07月06日 16:33

去年12月, 無(wú)線通信技術(shù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP表示，將與世界各個(gè)國(guó)家和地區(qū)的相關(guān)團(tuán)體一起著手制定6G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并預(yù)計(jì)6G在2030年前后普及，實(shí)現(xiàn)每秒100GB左右的通信速度，相當(dāng)于現(xiàn)在5G通信速度的10倍。

目前，世界各國(guó)都很重視6G技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)。與此同時(shí)，隨著6G技術(shù)向我們走來(lái)，作為6G通信的關(guān)鍵技術(shù)之一，太赫茲技術(shù)同樣吸引了人們的廣泛關(guān)注。具有大量絕對(duì)帶寬資源的太赫茲波，在通信領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。

當(dāng)然，太赫茲技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)不止于此。在雷達(dá)系統(tǒng)、吸波材料及應(yīng)用、生物醫(yī)學(xué)研究、光譜成像技術(shù)、探測(cè)與感知等多個(gè)領(lǐng)域，太赫茲技術(shù)同樣具有廣闊的發(fā)展前景。憑借瞬態(tài)性、穿透性、寬帶性、指紋性等許多獨(dú)一無(wú)二的特性，太赫茲波所具備的“透視眼”，能夠探測(cè)到其他光波探測(cè)不到的地方，自問(wèn)世以來(lái)就不斷涌現(xiàn)有價(jià)值的技術(shù)突破。也正因此，太赫茲技術(shù)被美國(guó)評(píng)為“改變未來(lái)世界的十大技術(shù)之一”，被日本列為“國(guó)家支柱十大重點(diǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)”之首。

作為一個(gè)發(fā)展快速且備受關(guān)注的領(lǐng)域，太赫茲技術(shù)這些年一直是世界各國(guó)競(jìng)相研究的熱門科研課題。

國(guó)外某實(shí)驗(yàn)性太赫茲激光裝置。

太赫茲波：開(kāi)啟人類新“視”界

■王永華孔銘

無(wú)處不在的神秘電磁波

說(shuō)起太赫茲波，大家可能還有些陌生。但談到電磁波，人們都知道它無(wú)時(shí)無(wú)刻不在與我們打著交道：我們每天睜眼看見(jiàn)的光，是一種電磁波；早餐用微波爐熱牛奶所依靠的波，也是一種電磁波；我們打電話、發(fā)微信，傳遞信號(hào)運(yùn)用的波還是電磁波……

事實(shí)上，太赫茲波也是一種電磁波，它就處于光域中的紅外頻段和微波域中的毫米波頻段之間，是頻譜范圍在0.1~10太赫茲（THz）、波長(zhǎng)在0.03~3毫米之間的一段神秘電磁波。

為什么神秘呢？因?yàn)樘掌澆ǘ卧陔姶挪ㄗV中的位置十分特殊，它左鄰微波、右靠紅外，處于電子學(xué)與光子學(xué)的交叉領(lǐng)域，既不完全適用電子微波理論來(lái)研究，也無(wú)法完全適用經(jīng)典的光學(xué)理論來(lái)解釋。太赫茲波兩端的應(yīng)用技術(shù)已相對(duì)成熟。比如，紅外夜視儀、家里常用的電視機(jī)遙控器等屬于紅外應(yīng)用領(lǐng)域；廣播、移動(dòng)電話、雷達(dá)等則屬于另一端的無(wú)線電波及微波領(lǐng)域。太赫茲波在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)都備受“冷落”，被稱作電磁波譜中的“禁區(qū)”。

1800年，英國(guó)科學(xué)家赫歇爾在三棱鏡分光實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了一種不可見(jiàn)卻能帶來(lái)熱量的光，但受限于當(dāng)時(shí)的認(rèn)知，他將這部分看不見(jiàn)的光子歸屬于紅外光。直到1881年，美國(guó)科學(xué)家蘭利研究出了測(cè)熱輻射計(jì)，使得探測(cè)太赫茲波成為可能。又過(guò)了將近一個(gè)世紀(jì)后的1974年，“太赫茲”這個(gè)名稱在科學(xué)家弗萊明的文章發(fā)表后，才逐漸被接受與使用。

近年來(lái)，隨著輻射源、探測(cè)器、光學(xué)元件等相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，我們可以更容易探測(cè)到太赫茲波并加以應(yīng)用，這也使太赫茲領(lǐng)域的研究從空白低谷走向繁榮創(chuàng)新，成為類似于太空、海洋、網(wǎng)絡(luò)空間一樣的世界大國(guó)科技競(jìng)爭(zhēng)的新領(lǐng)域。

可透視的全能電磁波

目前，世界各國(guó)都對(duì)太赫茲技術(shù)傾注了極大的熱情，持續(xù)加緊部署相關(guān)戰(zhàn)略項(xiàng)目。比如，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、航空航天局、國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局，英國(guó)宇航署，法國(guó)國(guó)家研究總署，德國(guó)研究聯(lián)合會(huì)，日本科學(xué)振興機(jī)構(gòu)等都開(kāi)展了多項(xiàng)關(guān)于太赫茲技術(shù)的研究。

國(guó)外某科研團(tuán)隊(duì)研制出的納米級(jí)太赫茲波發(fā)生器。

不僅可以檢測(cè)衣服下遮蓋的手槍、箱子中隱藏的炸藥，讓這些危險(xiǎn)品“無(wú)所遁形”；還可以幫助外科醫(yī)生在手術(shù)中進(jìn)行可視化分析、輔助細(xì)胞病理學(xué)診斷，為我們的健康“保駕護(hù)航”……憑借不同于其他電磁波的特殊頻率所賦予的物理特性，如今，太赫茲波正在不同應(yīng)用領(lǐng)域中大顯身手——

在實(shí)現(xiàn)超高速通信中釋放潛力。

太赫茲波集合了微波通信和光通信的雙重優(yōu)點(diǎn)，有載波頻率大、帶寬寬度大等特點(diǎn)，其頻譜的帶寬比微波和毫米波的總和還要高30倍。寬的頻譜范圍是良好的信息載體，可使通信的容量變得非常大，極好地解決了目前無(wú)線系統(tǒng)領(lǐng)域頻譜稀缺、容量限制、光纖接入難、成本高等問(wèn)題。因此，各國(guó)不約而同地將太赫茲技術(shù)作為6G時(shí)代的首要課題。

2019年，日本電信電話集團(tuán)宣布研發(fā)出一款太赫茲頻段的射頻芯片。同年，德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院開(kāi)發(fā)出一種太赫茲和光域之間的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換方法，有望應(yīng)用在未來(lái)的6G網(wǎng)絡(luò)中。同年11月，全球首顆6G試驗(yàn)衛(wèi)星搭載長(zhǎng)征六號(hào)遙三運(yùn)載火箭成功升空，這也是我國(guó)首個(gè)搭載太赫茲載荷的通信衛(wèi)星。

在醫(yī)學(xué)檢測(cè)上作出重大貢獻(xiàn)。

太赫茲波是一種非電離輻射光波，其光子能量約為4毫電子伏特，是X射線光子能量的百分之一。與現(xiàn)今醫(yī)療診斷中常用的X射線相比，低能量的太赫茲波不會(huì)產(chǎn)生電離效應(yīng)，可清晰安全地對(duì)人體組織進(jìn)行成像，可以作為超聲波、核磁共振、紅外成像等技術(shù)的重要補(bǔ)充?？杀苊釾射線對(duì)人體造成電離傷害、導(dǎo)致人體組織發(fā)生病變的可能，凸顯了太赫茲波較高的安全性。

2020年，俄羅斯ITMO大學(xué)太赫茲生物醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室在0.2~1THz頻率范圍內(nèi)獲得不同程度胃癌黏膜的折射率和吸收系數(shù)，證明了癌癥組織具有比正常組織更高的光學(xué)特性。目前，利用太赫茲技術(shù)已可檢測(cè)出皮膚癌、乳腺癌、結(jié)腸癌和胃癌等多種癌細(xì)胞，這將極大地提升人類診斷防治疾病的能力。不僅如此，很多生物大分子在太赫茲波段會(huì)有一些類似“身份證”的特殊吸收峰。利用這些吸收峰，我們可以從太赫茲的光譜測(cè)量上來(lái)推斷物質(zhì)的種類，進(jìn)行物質(zhì)鑒定。這可幫助我們鑒別果蔬食品中隱藏的農(nóng)藥殘留物和有害添加劑，助力食品的新鮮安全。

在探索宇宙奧秘方面發(fā)揮巨大作用。

太赫茲波有助于我們聆聽(tīng)宇宙的聲音，接收來(lái)自宇宙的信號(hào)。早在20世紀(jì)70年代，太赫茲波就在天文學(xué)研究中受到特別關(guān)注。隨后，人們建造了大量精密的太赫茲望遠(yuǎn)鏡。我國(guó)“FAST”500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡，接收到的來(lái)自宇宙的亞毫米波，實(shí)際上就是太赫茲波。

太赫茲波也廣泛應(yīng)用于觀測(cè)地球和宇宙的遙感技術(shù)中。在對(duì)地觀測(cè)中，人們可以借助太赫茲波探測(cè)大氣成分，達(dá)到預(yù)測(cè)天氣變化、檢測(cè)“溫室效應(yīng)”的目的。在地外探測(cè)方面，人們可以利用太赫茲技術(shù)探測(cè)近地星際的水氧碳含量，同時(shí)輔助探索整個(gè)銀河系的有機(jī)化合物，進(jìn)行行星表面的土壤巖層成分分析。

隨著太赫茲技術(shù)的飛速發(fā)展，科學(xué)家眼中能夠透視萬(wàn)物的太赫茲波，正在一點(diǎn)點(diǎn)展現(xiàn)它的魅力。

軍事應(yīng)用廣泛的奇妙電磁波

在軍事領(lǐng)域，太赫茲波的應(yīng)用前景同樣不可忽視。這些年，美國(guó)、俄羅斯、日本等紛紛加大投入，力求在太赫茲波的軍事應(yīng)用上占據(jù)領(lǐng)先賽道。

——在無(wú)損檢測(cè)中大展身手。在航天、雷達(dá)等先進(jìn)材料及特殊部件的檢測(cè)中，太赫茲波具有極高的穿透性，能穿透大部分非極性物質(zhì)，幫助檢測(cè)被檢測(cè)物是否有體積型缺陷，檢測(cè)X射線難以檢測(cè)的裂痕、污漬等平面型缺陷，且不會(huì)對(duì)被檢測(cè)物造成損傷。

太赫茲波穿透衣物安檢。

目前，太赫茲?rùn)z測(cè)技術(shù)已經(jīng)在歐美等國(guó)家投入使用，并被美國(guó)航空航天局列為四大無(wú)損檢測(cè)技術(shù)之一。2003年，美國(guó)航空航天局和倫斯勒理工學(xué)院研究人員利用太赫茲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)成功檢測(cè)了航天飛機(jī)的噴涂泡沫絕緣材料的孔隙和脫粘缺陷。美國(guó)API公司利用太赫茲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)雷達(dá)罩進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，成功檢測(cè)到雷達(dá)罩的缺陷。

——在反導(dǎo)、反隱身中大有作為。雷達(dá)作為戰(zhàn)場(chǎng)上探測(cè)敵情的“眼睛”，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中用來(lái)偵察信息的強(qiáng)有力武器，也是未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上重要的反導(dǎo)、反隱身利器?；谔掌澕夹g(shù)研制的太赫茲雷達(dá)具備更寬的頻譜、更高的頻率、更強(qiáng)的穿透性，以及受氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)影響小等特性，可使隱身飛行物體的窄帶吸波涂層喪失作用，以期獲得更高的戰(zhàn)斗效益。

如美國(guó)諾斯羅普·格魯門公司研制、配裝美國(guó)及其盟國(guó)多型軍機(jī)的AN/AAR-54紫外告警系統(tǒng)，可有效識(shí)別隱身武器。2020年初，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局啟動(dòng)混合模式超大規(guī)模集成電路項(xiàng)目，旨在為軍事太赫茲雷達(dá)和通信提供高性能的芯片。

——在預(yù)警感知中掌握主動(dòng)。能否在復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中取得優(yōu)勢(shì)或掌握主動(dòng)權(quán)，對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)的最終走向?qū)a(chǎn)生至關(guān)重要的影響，太赫茲技術(shù)運(yùn)用于軍事預(yù)警將更有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的感知。太赫茲波強(qiáng)大的穿透力，不僅可以無(wú)障礙透視墻體，掃描房子內(nèi)部，探測(cè)到藏匿在墻后的武裝人員及武器，還可以在惡劣天氣或識(shí)別探測(cè)物體分辨率較低的情況下，看到“戰(zhàn)場(chǎng)迷霧”中的坦克、火炮等裝備。

2020年，德國(guó)弗勞恩霍夫工業(yè)數(shù)學(xué)研究所將量子傳感器技術(shù)應(yīng)用于太赫茲探測(cè)器；同年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院提出了一種光纖耦合的緊湊型等離子體超寬帶探測(cè)器，檢測(cè)帶寬達(dá)2.5THz。以上，都將提升軍事預(yù)警偵察系統(tǒng)感知戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的水平。

——在保密通信中實(shí)現(xiàn)安全傳輸。信息化戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)信息的時(shí)效性要求較高，能否安全及時(shí)地獲取軍事信息，將在一定程度上決定戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)。太赫茲波具備抗竊聽(tīng)、抗干擾、抗探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，可為戰(zhàn)場(chǎng)信息的高效保密傳輸提供保障。在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，電臺(tái)和武器用頻設(shè)備密集，電磁環(huán)境復(fù)雜，利用太赫茲波大容量、高速率的優(yōu)勢(shì)，可以組成戰(zhàn)地通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的無(wú)線通信鏈路。

2020年，德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院提出一種低成本太赫茲接收器設(shè)計(jì)，首次試驗(yàn)就實(shí)現(xiàn)了0.3THz載波頻率下每秒115GB數(shù)據(jù)速率的通信傳輸，傳輸距離達(dá)到110米以上。除此之外，美國(guó)萊斯大學(xué)將漏波天線與寬帶接收機(jī)配合使用，提出一種創(chuàng)新性方法，可快速精確定位覆蓋范圍內(nèi)所有接收器。

作為一個(gè)還未完全開(kāi)發(fā)的電磁頻段，太赫茲波存在著無(wú)數(shù)的可能等待大家去探索，其相關(guān)研究正方興未艾。伴隨著太赫茲技術(shù)的快速發(fā)展，其在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上發(fā)揮出的作戰(zhàn)效能，將會(huì)遠(yuǎn)超我們的想象。

供圖:陽(yáng) 明