去年12月, 無線通信技術(shù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP表示，將與世界各個國家和地區(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6G在2030年前后普及，實現(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，世界各國都很重視6G技術(shù)的研究與開發(fā)。與此同時，隨著6G技術(shù)向我們走來，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)、探測與感知等多個領(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)一無二的特性，太赫茲波所具備的“透視眼”，能夠探測到其他光波探測不到的地方，自問世以來就不斷涌現(xiàn)有價值的技術(shù)突破。也正因此，太赫茲技術(shù)被美國評為“改變未來世界的十大技術(shù)之一”，被日本列為“國家支柱十大重點(diǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)”之首。

作為一個發(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競相研究的熱門科研課題。

國外某實驗性太赫茲激光裝置。

太赫茲波：開啟人類新“視”界

■王永華  孔  銘

無處不在的神秘電磁波

說起太赫茲波，大家可能還有些陌生。但談到電磁波，人們都知道它無時無刻不在與我們打著交道：我們每天睜眼看見的光，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，傳遞信號運(yùn)用的波還是電磁波……

事實上，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）、波長在0.03~3毫米之間的一段神秘電磁波。

為什么神秘呢？因為太赫茲波段在電磁波譜中的位置十分特殊，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研究，也無法完全適用經(jīng)典的光學(xué)理論來解釋。太赫茲波兩端的應(yīng)用技術(shù)已相對成熟。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、移動電話、雷達(dá)等則屬于另一端的無線電波及微波領(lǐng)域。太赫茲波在相當(dāng)長的時期內(nèi)都備受“冷落”，被稱作電磁波譜中的“禁區(qū)”。

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

近年來，隨著輻射源、探測器、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科技競爭的新領(lǐng)域。

可透視的全能電磁波

目前，世界各國都對太赫茲技術(shù)傾注了極大的熱情，持續(xù)加緊部署相關(guān)戰(zhàn)略項目。比如，美國國家科學(xué)基金會、航空航天局、國防高級研究計劃局，英國宇航署，法國國家研究總署，德國研究聯(lián)合會，日本科學(xué)振興機(jī)構(gòu)等都開展了多項關(guān)于太赫茲技術(shù)的研究。

國外某科研團(tuán)隊研制出的納米級太赫茲波發(fā)生器。

不僅可以檢測衣服下遮蓋的手槍、箱子中隱藏的炸藥，讓這些危險品“無所遁形”；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、成本高等問題。因此，各國不約而同地將太赫茲技術(shù)作為6G時代的首要課題。

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，德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院開發(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)用在未來的6G網(wǎng)絡(luò)中。同年11月，全球首顆6G試驗衛(wèi)星搭載長征六號遙三運(yùn)載火箭成功升空，這也是我國首個搭載太赫茲載荷的通信衛(wèi)星。

在醫(yī)學(xué)檢測上作出重大貢獻(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產(chǎn)生電離效應(yīng)，可清晰安全地對人體組織進(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)實驗室在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量上來推斷物質(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宇宙的聲音，接收來自宇宙的信號。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“FAST”500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡，接收到的來自宇宙的亞毫米波，實際上就是太赫茲波。

太赫茲波也廣泛應(yīng)用于觀測地球和宇宙的遙感技術(shù)中。在對地觀測中，人們可以借助太赫茲波探測大氣成分，達(dá)到預(yù)測天氣變化、檢測“溫室效應(yīng)”的目的。在地外探測方面，人們可以利用太赫茲技術(shù)探測近地星際的水氧碳含量，同時輔助探索整個銀河系的有機(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、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。

——在無損檢測中大展身手。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)，幫助檢測被檢測物是否有體積型缺陷，檢測X射線難以檢測的裂痕、污漬等平面型缺陷，且不會對被檢測物造成損傷。

太赫茲波穿透衣物安檢。

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

——在反導(dǎo)、反隱身中大有作為。雷達(dá)作為戰(zhàn)場上探測敵情的“眼睛”，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中用來偵察信息的強(qiáng)有力武器，也是未來戰(zhàn)場上重要的反導(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。

如美國諾斯羅普·格魯門公司研制、配裝美國及其盟國多型軍機(jī)的AN/AAR-54紫外告警系統(tǒng)，可有效識別隱身武器。2020年初，美國國防高級研究計劃局啟動混合模式超大規(guī)模集成電路項目，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。能否在復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境中取得優(yōu)勢或掌握主動權(quán)，對戰(zhàn)爭的最終走向?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)警將更有利于實現(xiàn)對戰(zhàn)場態(tài)勢的感知。太赫茲波強(qiáng)大的穿透力，不僅可以無障礙透視墻體，掃描房子內(nèi)部，探測到藏匿在墻后的武裝人員及武器，還可以在惡劣天氣或識別探測物體分辨率較低的情況下，看到“戰(zhàn)場迷霧”中的坦克、火炮等裝備。

2020年，德國弗勞恩霍夫工業(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器，檢測帶寬達(dá)2.5THz。以上，都將提升軍事預(yù)警偵察系統(tǒng)感知戰(zhàn)場態(tài)勢的水平。

——在保密通信中實現(xiàn)安全傳輸。信息化戰(zhàn)爭對戰(zhàn)場信息的時效性要求較高，能否安全及時地獲取軍事信息，將在一定程度上決定戰(zhàn)爭勝負(fù)。太赫茲波具備抗竊聽、抗干擾、抗探測等優(yōu)點(diǎn)，可為戰(zhàn)場信息的高效保密傳輸提供保障。在戰(zhàn)場環(huán)境中，電臺和武器用頻設(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，可以組成戰(zhàn)地通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的無線通信鏈路。

2020年，德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院提出一種低成本太赫茲接收器設(shè)計，首次試驗就實現(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。

作為一個還未完全開發(fā)的電磁頻段，太赫茲波存在著無數(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，其在未來戰(zhàn)場上發(fā)揮出的作戰(zhàn)效能，將會遠(yuǎn)超我們的想象。

供圖:陽  明

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