[科普中國(guó)]-太赫茲

太赫茲（Tera Hertz，THz）是波動(dòng)頻率單位之一，又稱(chēng)為太赫，或太拉赫茲。等于1,000,000,000,000Hz，通常用于表示電磁波頻率。

太赫茲是一種新的、有很多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)的輻射源；太赫茲技術(shù)是一個(gè)非常重要的交叉前沿領(lǐng)域，給技術(shù)創(chuàng)新、國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)家安全提供了一個(gè)非常誘人的機(jī)遇可能引發(fā)科學(xué)技術(shù)的革命性發(fā)展。1

定義太赫茲(THz)波是指頻率在0.1~10 THz(波長(zhǎng)為3000～30μm)范圍內(nèi)的電磁波，在長(zhǎng)波段與毫米波相重合，在短波段與紅外光相重合，是宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過(guò)渡區(qū)，也是電子學(xué)向光子學(xué)的過(guò)渡區(qū)，稱(chēng)為電磁波譜的“太赫茲空隙(THz gap)”。1

太赫茲(THz)波的波段能夠覆蓋半導(dǎo)體、等離子體，有機(jī)體和生物大分子等物質(zhì)的特征譜；利用該頻段可以加深和拓展人類(lèi)對(duì)物理學(xué)、化學(xué)、天文學(xué)、信息學(xué)和生命科學(xué)中一些基本科學(xué)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)。THz技術(shù)可廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、遙感、國(guó)土安全與反恐、高保密的數(shù)據(jù)通訊與傳輸、大氣與環(huán)境監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)生物信息提取以及醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域。因此，THz研究對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全有重大的應(yīng)用價(jià)值。2

歷史早期太赫茲在不同的領(lǐng)域有不同的名稱(chēng)，在光學(xué)領(lǐng)域被稱(chēng)為遠(yuǎn)紅外，而在電子學(xué)領(lǐng)域，則稱(chēng)其為亞毫米波、超微波等。在20世紀(jì)80年代中期之前，太赫茲波段兩側(cè)的紅外和微波技術(shù)發(fā)展相對(duì)比較成熟，但是人們對(duì)太赫茲波段的認(rèn)識(shí)仍然非常有限，形成了所謂的“THz Gap”。
2004年，美國(guó)政府將THz科技評(píng)為“改變未來(lái)世界的十大技術(shù)”之一，而日本于2005年1月8日更是將THz技術(shù)列為“國(guó)家支柱十大重點(diǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)”之首，舉全國(guó)之力進(jìn)行研發(fā)。

我國(guó)政府在2005年11月專(zhuān)門(mén)召開(kāi)了“香山科技會(huì)議”，邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)多位在THz研究領(lǐng)域有影響的院士專(zhuān)門(mén)討論我國(guó)THz事業(yè)的發(fā)展方向，并制定了我國(guó)THz技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有多家研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展太赫茲領(lǐng)域的相關(guān)研究，其中首都師范大學(xué)，是入手較早，投入較大的一家，并且在毒品和炸藥太赫茲光譜、成像和識(shí)別方面，利用太赫茲對(duì)非極性航天材料內(nèi)部缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)方面做出了許多開(kāi)拓性的工作，同時(shí)由于太赫茲射線在安全檢查方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，首都師范大學(xué)太赫茲實(shí)驗(yàn)室正集中力量研發(fā)能夠用于實(shí)景測(cè)試的安檢原型設(shè)備。另外，美國(guó)、歐洲、亞洲、澳大利亞等許多國(guó)家和地區(qū)政府、機(jī)構(gòu)、企業(yè)、大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)紛紛投入到THz的研發(fā)熱潮之中。THz研究領(lǐng)域的開(kāi)拓者之一，美國(guó)著名學(xué)者張希成博士稱(chēng)：“Nextray, T-Ray！”。

特點(diǎn)量子能量和黑體溫度很低，如表1所示。

許多生物大分子的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)頻率都處于THz波段，所以利用THz波可以獲得豐富的生物及其材料信息。

THz輻射能以很小的衰減穿透如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等物質(zhì)。

THz的時(shí)域頻譜信噪比很高，使THz非常適用于成像應(yīng)用。

瞬時(shí)帶寬很寬(0.1～10THz)，利于高速通信，如右圖所示。1

應(yīng)用太赫茲成像技術(shù)和太赫茲波譜技術(shù)由此構(gòu)成了太赫茲應(yīng)用的兩個(gè)主要關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)，由于太赫茲能量很小，不會(huì)對(duì)物質(zhì)產(chǎn)生破壞作用，所以與X射線相比更具有優(yōu)勢(shì)。

THz時(shí)域光譜技術(shù)目前已經(jīng)開(kāi)始商業(yè)化運(yùn)作，世界范圍內(nèi)已經(jīng)有多家企業(yè)開(kāi)始生產(chǎn)商用THz時(shí)域光譜儀，主要是中國(guó)，美國(guó)，歐洲和日本的廠家。THz時(shí)域光譜技術(shù)的基本原理是利用飛秒脈沖產(chǎn)生并探測(cè)時(shí)間分辨的THz電場(chǎng)，通過(guò)傅立葉變換獲得被測(cè)物品的光譜信息，由于大分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)大多在THz波段，而大分子，特別是生物和化學(xué)大分子是具有本身物性的物質(zhì)集團(tuán)，進(jìn)而可以通過(guò)特征頻率對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物性進(jìn)行分析和鑒定。一個(gè)比較重要的應(yīng)用可以作為藥品質(zhì)量監(jiān)管。設(shè)想一下制藥廠的流水線上安裝一臺(tái)THz時(shí)域光譜儀，從藥廠出廠的每一片藥都進(jìn)行光譜測(cè)量，并與標(biāo)準(zhǔn)的藥物進(jìn)行光譜對(duì)比，合格的將進(jìn)入下一個(gè)環(huán)節(jié)，否則在流水線上將劣質(zhì)藥片清除掉，避免不同藥片或不同批次藥片的品質(zhì)差異，保證藥品的品質(zhì)。

THz成像技術(shù)跟其他波段的成像技術(shù)一樣，THz成像技術(shù)也是利用THz射線照射被測(cè)物，通過(guò)物品的透射或反射獲得樣品的信息，進(jìn)而成像。THz成像技術(shù)可以分為脈沖和連續(xù)兩種方式。前者具有THz時(shí)域光譜技術(shù)的特點(diǎn)。同時(shí)它可以對(duì)物質(zhì)集團(tuán)進(jìn)行功能成像，獲得物質(zhì)內(nèi)部的折射率分布。例如葵花籽可以和容易獲得葵花子的內(nèi)部信息。圖3-4 給出了葵花籽樣品的實(shí)物照片和相應(yīng)方法重構(gòu)的THz 透射圖像，能清晰地分辨果殼的輪廓和隱藏在果殼中果仁的形狀，這是最希望的。同樣，如果樣品是人的牙齒，那么牙齒的正常部分與損蛀部分將很容易的區(qū)分開(kāi)，同時(shí)不必照射x射線，對(duì)人體沒(méi)有附加傷害。

安全檢查利用安全檢查應(yīng)該說(shuō)是現(xiàn)階段最吸引人的THz技術(shù)，它的本質(zhì)原理是THz成像，目前由于目前主要采用連續(xù)波THz源，而且又由于它要解決的是目前最受人關(guān)注的反恐、緝毒等最讓人關(guān)注的問(wèn)題，所以單列出來(lái)。目前英國(guó)發(fā)展的THz安檢設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入試用階段。由于THz射線的穿透性和對(duì)金屬材料的強(qiáng)反射特性，并且THz的高頻率使得成像的分辨率更高，所以可以很容易看到隱藏在衣物、鞋內(nèi)的刀具、槍械等物品。同時(shí)如果結(jié)合THz的物質(zhì)鑒別特性，能夠區(qū)分你身上是否攜帶炸藥或毒品。首都師范大學(xué)THz實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)建立了常見(jiàn)的炸藥和毒品的數(shù)據(jù)譜庫(kù)，可以設(shè)想再過(guò)幾年，可以真正在機(jī)場(chǎng)見(jiàn)到真正的THz安檢的設(shè)備。另外，世界范圍內(nèi)引起社會(huì)動(dòng)蕩的自殺式炸彈恐怖襲擊，也可以利用THz安檢設(shè)備進(jìn)行防范。因?yàn)檎緧彽目梢圆辉偈鞘勘虮０踩藛T，而是THz安檢儀，人們不需要靠近可疑分子就可以對(duì)其進(jìn)行檢查。

THz雷達(dá)實(shí)際上也是成像的一種。鑒于大氣中水分對(duì)THz射線的強(qiáng)吸收作用，所以近距離雷達(dá)是THz射線的優(yōu)勢(shì)所在。一個(gè)非常讓人向往的應(yīng)用是穿墻雷達(dá)和探雷雷達(dá)，當(dāng)然也可以用于抗震救災(zāi)中遇難者的搜救，目前還處于研發(fā)階段。這是由于墻壁，木材等材料對(duì)THz透過(guò)，而人體包含大量水分，不透過(guò)THz，因此可以透過(guò)墻壁偵查到屋內(nèi)的人員的分布和活動(dòng)，將反恐怖反綁架起到深遠(yuǎn)的影響，同理也可以用于廢墟下人體的尋找。而探雷雷達(dá)是由于地雷一般在地表或地表附近，而干燥的泥土可以透過(guò)THz射線，而地雷將會(huì)把THz射線反射回來(lái)，從而可以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。

天文學(xué)在宇宙中，大量的物質(zhì)在發(fā)出THz電磁波。炭（C）、水（H2O）、一氧化碳（CO）、氮（N2）、氧（O2）等大量的分子可以在THz頻段進(jìn)行探測(cè)。而這些物質(zhì)在應(yīng)用THz技術(shù)以前一部分根本無(wú)法探測(cè)而另一部分只能在海拔很高或者月球表面才可以探測(cè)到。

通信技術(shù)THz用于通信可以獲得10GB/s的無(wú)線傳輸速度，特別是衛(wèi)星通信，由于在外太空，近似真空的狀態(tài)下，不用考慮水分的影響，這比當(dāng)前的超寬帶技術(shù)快幾百至一千多倍。這就使得THz通信可以以極高的帶寬進(jìn)行高保密衛(wèi)星通信。雖然由于缺乏高效的THz發(fā)射天線和源，使其還無(wú)法在通信領(lǐng)域商業(yè)化，但這必將由新型的發(fā)射裝置和發(fā)射源所解決。

太赫茲輻射德國(guó)研究人員利用超級(jí)計(jì)算機(jī)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，利用強(qiáng)烈的太赫茲輻射，可實(shí)現(xiàn)在不到萬(wàn)億分之一秒內(nèi)瞬間將微量水燒開(kāi)。

太赫茲輻射是指頻率從0．1太赫茲到10太赫茲，波長(zhǎng)介于毫米波與紅外線之間的電磁輻射區(qū)域。一太赫茲等于一萬(wàn)億赫茲。

德國(guó)電子同步加速器研究所報(bào)告說(shuō)，強(qiáng)烈的太赫茲輻射可引發(fā)水分子劇烈震動(dòng)，打斷水分子間的氫鍵。這種方法可將約一納升（十億分之一升）水在半皮秒（一皮秒為一萬(wàn)億分之一秒）內(nèi)加熱至600攝氏度。

報(bào)告指出，一納升水雖然聽(tīng)起來(lái)不多，但對(duì)很多實(shí)驗(yàn)來(lái)講已經(jīng)足夠。一皮秒比一眨眼的時(shí)間還要快很多，因此這種燒開(kāi)水的方法可稱(chēng)得上是迄今最快的。

雖然這一“燒水”法尚未投入實(shí)踐，但研究人員表示，水在許多化學(xué)與生物過(guò)程中扮演重要角色，新發(fā)現(xiàn)或可為化學(xué)與生物領(lǐng)域提供更多實(shí)驗(yàn)可能。3

生物醫(yī)學(xué)中國(guó)工程院院士杜祥琬院士指出，在所有物理技術(shù)中，電磁波技術(shù)對(duì)醫(yī)學(xué)的促進(jìn)作用尤其突出。從1901年X線獲得第一屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)開(kāi)始，已有5項(xiàng)與生物醫(yī)學(xué)相關(guān)的諾貝爾獎(jiǎng)授予了X光譜技術(shù)領(lǐng)域。

太赫茲技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用，生物大分子相互作用是重大生命現(xiàn)象與病變產(chǎn)生的關(guān)鍵動(dòng)因，而太赫茲光子能量覆蓋了生物大分子空間構(gòu)象的能級(jí)范圍。該頻段包含了其他電磁波段無(wú)法探測(cè)到的直接代表生物大分子功能的空間構(gòu)象等重要信息。因此，可以發(fā)展一種利用太赫茲探測(cè)和干預(yù)生物大分子相互作用過(guò)程的新理論和新技術(shù)，為當(dāng)前重大疾病診斷、有效干預(yù)提供先進(jìn)的技術(shù)手段。

中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所李澤仁研究員也表示，目前通過(guò)國(guó)家對(duì)太赫茲源、探測(cè)器及成像系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)與儀器設(shè)備的大力支持，我國(guó)已基本具備開(kāi)展太赫茲生物醫(yī)學(xué)研究的基礎(chǔ)。4

其他此外，太赫茲在半導(dǎo)體材料、高溫超導(dǎo)材料的性質(zhì)研究等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。研究該頻段不僅將推動(dòng)理論研究工作的重大發(fā)展，而且對(duì)固態(tài)電子學(xué)和電路技術(shù)也將提出重大挑戰(zhàn)。

目前，籠統(tǒng)的說(shuō)THz技術(shù)的研究主要圍繞三大部分內(nèi)容展開(kāi)，THz產(chǎn)生源、THz探測(cè)和應(yīng)用研究。目前最大的困難還是沒(méi)有高功率便攜式連續(xù)可調(diào)的成本較低的THz發(fā)射源和滿足現(xiàn)實(shí)要求的濾光片，另外也沒(méi)有能夠常溫下直接探測(cè)太赫茲射線的被動(dòng)式探測(cè)器。

發(fā)展現(xiàn)狀THz科學(xué)與技術(shù)已經(jīng)被國(guó)際科學(xué)界公認(rèn)為是下一代IT產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，吸引各國(guó)科學(xué)家目光的同時(shí)也吸引了不少?lài)?guó)外公司進(jìn)行THz商業(yè)化產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。近年來(lái)THz科技產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迅猛，包括THz輻射源、THz探測(cè)器、THz譜分析系統(tǒng)、THz成像系統(tǒng)等產(chǎn)業(yè)化技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，目前世界上已經(jīng)有超過(guò)80家的高科技公司研發(fā)銷(xiāo)售THz的相關(guān)產(chǎn)品，它們主要集中在歐洲、美國(guó)，其中不乏實(shí)力雄厚的大型企業(yè)。THz領(lǐng)域已經(jīng)逐漸成為高新科技產(chǎn)業(yè)技術(shù)的必爭(zhēng)之地。

由美國(guó)Univ. of Michigan及Univ. of Stanford孵化出Picometrix公司主要生產(chǎn)THz檢測(cè)系統(tǒng)，用THz成像系統(tǒng)檢查宇宙飛船外壁薄板內(nèi)部缺陷，已投入使用；Rensselaer Polytechnic Institute孵化了ZOMEGA公司，主要生產(chǎn)THz譜分析系統(tǒng)、成像系統(tǒng)，其一款產(chǎn)品Mini Z已具備了機(jī)載檢測(cè)的可能。近年來(lái)，一些美國(guó)知名企業(yè)也紛紛將目光轉(zhuǎn)向THz產(chǎn)品的生產(chǎn)，包括Coherent公司、VDI公司、Thorlabs公司、ImraAmerica公司、Physical science公司等，其中VDI公司主要生產(chǎn)THz、毫米波固態(tài)振蕩源及小型集成系統(tǒng)，產(chǎn)品頻率最高能達(dá)到1.7THz，主要用于衛(wèi)星通信、天文探測(cè)、氣象監(jiān)測(cè)、遙感成像等領(lǐng)域；IBM公司開(kāi)發(fā)出硅鍺THz微處理器芯片IBM．GeorgiaTech，室溫下芯片的時(shí)鐘頻率可達(dá)到0.35THz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)的PC處理器芯片，在低溫環(huán)境下，鍺芯片能夠獲得更高的性能，時(shí)鐘頻率可達(dá)到0.5THz。

英國(guó)建立了ThruVision公司專(zhuān)門(mén)從事有關(guān)THz成像的商品化工作，開(kāi)發(fā)出被動(dòng)式THz成像儀，目前已有商業(yè)化無(wú)源THz成像系統(tǒng)。英國(guó)劍橋大學(xué)孵化出的高科技公司TeraView從事THz攝像機(jī)的開(kāi)發(fā)，研制的TPI Imaga 1000和TPI Imaga 2000三維成像系統(tǒng)，是國(guó)際上首臺(tái)用于材料物理化學(xué)特性的THz商業(yè)成像系統(tǒng)，可用于無(wú)損分析和檢測(cè)。英國(guó)的EI公司已經(jīng)生產(chǎn)出THz氣體激光器：愛(ài)爾蘭的Farran公司也從事THz源及探測(cè)器產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。此外，德國(guó)、瑞士、法國(guó)等國(guó)近年來(lái)也出現(xiàn)了多家基于生產(chǎn)THz技術(shù)相關(guān)產(chǎn)品的公司。亞洲相關(guān)公司主要集中在日本和韓國(guó)。如日本Nikon公司已經(jīng)生產(chǎn)YRayfact系列THz成像系統(tǒng)：村田制作圍繞THz技術(shù)也開(kāi)發(fā)出了新的THz相關(guān)應(yīng)用商品；日本富士通公司如今也己開(kāi)始從事THz激光器的研究；臺(tái)灣聯(lián)華電子(UMC)采用其0.13μm RFCMOS工藝技術(shù)，已制造出振蕩頻率為0.192THz的雙推式電壓控制振蕩器，創(chuàng)下了目前硅芯片最高振蕩頻率的紀(jì)錄(若采用65nm工藝，振蕩頻率預(yù)計(jì)可達(dá)到0.35～0.4THz)。綜上所述，以THz科技為基礎(chǔ)的新一代IT產(chǎn)業(yè)已開(kāi)始逐步形成，THz科技產(chǎn)業(yè)化在今后將會(huì)逐漸步入到工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全檢查等領(lǐng)域。1

前景太赫茲的獨(dú)特性能給通信（寬帶通信）、雷達(dá)、電子對(duì)抗、電磁武器、天文學(xué)、醫(yī)學(xué)成像（無(wú)標(biāo)記的基因檢查、細(xì)胞水平的成像）、無(wú)損檢測(cè)、安全檢查（生化物的檢查）等領(lǐng)域帶來(lái)了深遠(yuǎn)的影響。由于太赫茲的頻率很高，所以其空間分辨率也很高；又由于它的脈沖很短（皮秒量級(jí)）所以具有很高的時(shí)間分辨率。

技術(shù)突破2016年10月28日消息，中國(guó)航天科工集團(tuán)23所已獲得中國(guó)首幅太赫茲波段外場(chǎng)SAR圖像，太赫茲波段雷達(dá)成像關(guān)鍵技術(shù)取得突破性成果。通過(guò)首幅太赫茲波段外場(chǎng)SAR圖像，主要技術(shù)指標(biāo)和成像算法得到了試驗(yàn)驗(yàn)證，為太赫茲雷達(dá)工程應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。不過(guò)，由于高功率太赫茲輻射源發(fā)展水平的限制，太赫茲雷達(dá)系統(tǒng)成像目前尚無(wú)法完全滿足實(shí)際應(yīng)用需求。5

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

郎奠波 - 副教授 - 黑龍江財(cái)經(jīng)學(xué)院