太赫茲：下一代顛覆性基礎技術

□文 / 錢 野 杭州市科技信息研究院

太赫茲（Tera Hertz，THz），又稱為太赫，或太拉赫茲，用于表示電磁波頻率，1太赫茲=1萬億赫茲。太赫茲是一種新的、有很多獨特優點的輻射源。太赫茲波泛指頻率位于紅外和微波之間、0.1—10THz 波段內的電磁波。由于太赫茲波處于宏觀電子學向微觀光子學的過渡區，它既不完全適合用光學理論來處理，也不完全適合用微波的理論來研究。

在過去很長一段時間，太赫茲波段兩側的紅外和微波技術的發展已經比較成熟，但是人們對太赫茲波段的認識仍然非常有限，形成了所謂的“太赫茲空白”。近年來，太赫茲波以其獨特的性能和廣泛的應用前景而越來越受到世界各國的關注，已被國際科學界公認為是高科技領域的必爭之地，其研究和應用對于未來作戰與國家安全將具有重大的戰略意義。太赫茲技術被美國評為“改變未來世界的十大技術”之一。

太赫茲波的特性

太赫茲技術之所以引起科學界廣泛的關注，是由于太赫茲波在頻率上要高于微波，低于紅外線；能量大小則在電子和光子之間，與其他頻率的電磁波相比，具有很多獨特的性質。

一是高穿透性。太赫茲波對許多介電材料和非極性物質具有良好的穿透性，可對不透明物體進行透視成像，是X射線成像和超聲波成像技術的有效互補。

二是低能量性。太赫茲光子能量只有X 射線光子能量的約1%，太赫茲輻射不會導致光致電離而破壞被檢質，非常適用于針對人體或其他生物樣品的檢查。水對太赫茲輻射有極強的吸收性，太赫茲波不易穿透含水物體。

三是瞬態性。太赫茲脈沖的典型脈寬在皮秒（ps，10-12秒）數量級，通過取樣測量技術，能夠有效地抑制背景輻射噪聲的干擾。

四是相干性。太赫茲的相干性源于其相干產生機制，能夠直接測量電場的振幅和相位，從而方便提取樣品的折射率、吸收系數、消光系數、介電常數等參數。

太赫茲技術的應用前景

太赫茲波的獨特性能在通信、雷達、電子對抗、電磁武器、醫學成像、安全檢查等領域蘊含著巨大的應用前景。目前，太赫茲技術的應用仍然在不斷地研究開發當中，其廣袤的科學前景為世界所公認。

軍事領域

一是太赫茲成像的應用。太赫茲的頻率很高、波長很短，具有很高的時域頻譜信噪比，且在濃煙、沙塵環境中傳輸損耗很少，可以穿透墻體對房屋內部進行掃描，是復雜戰場環境下尋敵成像的理想技術。未來城市及反恐作戰中，借助太赫茲特有的“穿墻術”，可以對“墻后”物體進行三維立體成像，探測隱蔽的武器、偽裝埋伏的武裝人員和顯示沙塵或煙霧中的坦克、火炮等裝備。另外，太赫茲成像技術在塑料兇器、陶瓷手槍、塑膠炸彈、流體炸藥和人體炸彈的檢測和識別上，更是“明察秋毫”。利用強太赫茲輻射照射路面，還可以遠距離探測地下的雷場分布，士兵們不需要再靠近可疑地段或人員便可以對其進行檢查。目前該技術已經初步應用于檢查郵件、識別炸藥及無損探傷等安全領域。

二是太赫茲雷達的應用。在隱身技術應用之后，常規的窄帶微波雷達在探測雷達截面很小的隱身兵器時往往顯得“力不從心”。而處于電磁頻譜過渡區域的太赫茲則是集眾家優長于一身。一方面，它的波長很短，大約在30um—3mm 的范圍內，可用于探測更小的目標和更精確的定位。另一方面，它又包含了豐富的頻率，能以成千上萬種頻率發射納秒以至皮秒級的脈沖，大大超過現有隱身技術的作用范圍。因此，不管是面對形狀隱身、涂料隱身，還是等離子體隱身的目標時，都能讓它們“無處遁形”。美國是最早提出太赫茲雷達這一概念的國家，并先后進行了0.2THz、1.56THz、0.6THz 等高分辨率雷達實驗，驗證了太赫茲雷達的可行性。太赫茲雷達作為未來高精度、反隱身雷達的發展方向之一，在軍事上將有廣闊的應用前景。

三是太赫茲通信的應用。軍事通信領域500MHz—5GHz頻段資源已日趨稀缺，而太赫茲這一曾被“遺忘”的波段，集成了微波通信與光通信的優點，具有傳輸速率高、容量大、方向性強、安全性高及穿透性好等諸多特性，已成為各國挖掘開發的熱點。一方面，太赫茲的頻段比現有微波通信要高出1—4 個數量級，意味著它可以承載更大的信息量，滿足戰場大數據傳輸速率的通信要求。另一方面，太赫茲波束更窄，具有極高的方向性、更好的保密性、較強的抗干擾和云霧及偽裝物穿透能力，可以在大風、沙塵以及濃煙等惡劣的戰場環境下以極高的帶寬進行定向、高保密甚至明碼軍事通信。

航天領域

將太赫茲探測器與光學遙感技術相結合，可以實現空間高分辨率、快速成像和波譜探測功能。空間太赫茲被動遙感技術是目前太赫茲技術在天文和深空探測領域的主流應用方向。許多歐美發達國家已經實施或準備實施太赫茲空間計劃，利用空間太赫茲設備在一定程度上實現了對地球大氣成分、對流層的化學性質及其動力學等方面的科學研究工作。利用太赫茲技術可對航天器進行損傷、疲勞和化學剝蝕檢查，太赫茲成像技術現已成為美國航天局用來檢測航天器缺陷的四大技術之一，如利用太赫茲技術有效地檢測出了導致“哥倫比亞”號慘劇發生的原因是“外部燃料箱泡沫脫粘”。

生物與醫學領域

太赫茲成像技術可應用于檢查人體組織以發現病變區域，診斷疾病程度以及監測醫療藥品的制造等。太赫茲時域光譜技術則可用于檢驗藥品質量、測定藥品成分等。由于生物大分子振動和轉動的共振頻率均在太赫茲波段，因此太赫茲在糧食選種、優良菌種的選擇等農業和食品加工行業也有著良好的應用前景。

檢驗檢測領域

太赫茲時域光譜技術可用于對儲油層巖石的性質及其內部構造形態進行測量，并根據測量結果對巖石類型進行區分和鑒別。太赫茲光譜儀信噪比高，可以對炸藥進行無損、非電離、高靈敏度的光譜測量，適用于危化品鑒別與檢測，國內外已經建立了大量有關危化品的太赫茲指紋譜數據庫。利用太赫茲技術可進行食品檢測，包括水含量檢測、有害成分檢測、禁用化學成分檢測等。太赫茲成像還可以用于檢測汽車儀表盤質量、建筑物內的墻后和地板材料表面完整性、瓷磚和紙張等的表面平整度、印刷電路板是否脫層等問題。

太赫茲技術的研究現狀

隨著對太赫茲價值認識的不斷深入，各國紛紛加快了針對這一波段的探索，掀起一股研究太赫茲的熱潮。目前太赫茲受到高度關注，多項技術已逐漸成熟。

美國

太赫茲技術在2006 年就被列為美國國防重點科學，目前有多個研究機構正在積極研發此項技術。美國國防高級研究計劃局（DARPA）開展了TIFT 項目研究，旨在開發安全應用方面的小型高感度太赫茲感測系統。美國勞倫斯·伯克利國家實驗室開展了先進太赫茲光源以及基于新型半導體材料的太赫茲器件的研究等。美國斯坦福國家加速器實驗室開展了基于加速器和基于激光等離子體相互作用的超短高峰值功率的太赫茲脈沖光源的研究，它與加州理工大學聯合的噴氣推進實驗室還在太赫茲遠距離成像、太赫茲光譜成像生物醫學應用等方面做出了突出貢獻。

歐洲

圍繞太赫茲技術的廣泛應用前景，歐洲各國政府和企業產學研合作的研發日益活躍。

英國開展了WANTED 項目研究，開發了1—10THz的廣域半導體振動器和檢波器；開展了TERAVISION 項目，開發應用高功率、小型近紅外短脈沖激光的小型醫用太赫茲脈沖成像裝置。

法國實施了NANO-TERA 項目，研究太赫茲波段信號處理裝置。

德國高頻物理與雷達技術研究所研制了工作頻率0.22THz 的太赫茲成像雷達COBRA-220，作用距離500米，成像分辨率達到1.8厘米。

瑞典查爾姆斯科技大學基于倍頻鏈路與外差接收鏈路制造了一部0.34THz的太赫茲成像雷達。

丹麥研究人員搭建了一套太赫茲準后向模擬目標散射測量系統，后向散射角約6.6 度，系統測試頻率覆蓋了0—3THz。

中國

我國對太赫茲技術的研究起步較晚，目前已開展太赫茲人體安檢技術、太赫茲傳感器研究。太赫茲人體安檢儀在安檢過程中能夠實現無接觸、不停留、無輻射的快速安檢，且檢測效率較高。參與研究生產的單位主要有首都師范大學、安徽博微長安電子有限公司、北京航天易聯科技發展有限公司、中國電子科技集團公司第五十研究所、中國電子科技集團第三十八研究所等多家科研機構和企業。隨著中國近幾年科研技術水平的提升，我國太赫茲安檢儀和國外的差距不斷縮小。

我國對太赫茲傳感器的鼓勵支持政策力度不斷加大，在“十四五”國家重點研發計劃“智能傳感器”重點專項中提出，針對特殊物質生化量檢測難題，探索太赫茲增強傳感新機理和新方法，推動太赫茲技術在醫療檢測領域的運用。

太赫茲技術產業化現狀

在各國研究計劃的帶動下，太赫茲技術取得了重要突破，為其實用化與商業化奠定了基礎。

太赫茲技術已經被國際科學界公認為是下一代IT 產業的基礎，它在吸引各國科學家目光的同時，也吸引了不少大公司進軍太赫茲技術商業化產品的開發。近年來太赫茲技術產業化發展迅猛，包括太赫茲輻射源、太赫茲探測器、太赫茲譜分析系統、太赫茲成像系統等產業化技術已經成功地應用于多個領域。目前世界上已經有超過80家的高科技公司研發銷售太赫茲的相關產品，這些公司主要集中在美國和歐洲。

美國知名企業，包括IBM、VDI、Physical Science 公司等，紛紛將目光轉向太赫茲產品的生產。IBM 公司開發出硅鍺太赫茲微處理器芯片，室溫下該芯片的時鐘頻率可達到0.35THz，遠遠高于標準的PC 處理器芯片，在低溫環境下，該芯片能夠獲得更高的性能，時鐘頻率可達到0.5THz。VDI 公司主要生產太赫茲、毫米波固態振蕩源及小型集成系統，產品頻率最高能達到1.7THz，主要用于衛星通信、天文探測、氣象監測、遙感成像等領域。由美國密歇根大學和斯坦福大學孵化出的Picometrix 公司主要生產太赫茲檢測系統，通過太赫茲成像檢查宇宙飛船外壁薄板內部缺陷，并已投入使用。

英國劍橋大學孵化出的高科技公司TeraView 從事太赫茲攝像機的開發，研制的TPI Imaga 1000 和TPI Imaga 2000 三維成像系統是國際上首批用于材料物理化學特性的太赫茲商業成像系統，可用于無損分析和檢測。英國的ThruVision 公司專門從事有關太赫茲成像的商品化工作，開發出被動式太赫茲成像儀，目前已有商業化無源太赫茲成像系統。英國的EI公司已經生產出太赫茲氣體激光器。

此外，德國、瑞士、法國等國也出現了多家生產太赫茲技術相關產品的公司。