太赫茲：下一代顛覆性基礎(chǔ)技術(shù)

□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(dú)特優(yōu)點(diǎn)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(nèi)的電磁波。由于太赫茲波處于宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)的過渡區(qū)，它既不完全適合用光學(xué)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(zhǎng)一段時(shí)間，太赫茲波段兩側(cè)的紅外和微波技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)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“太赫茲空白”。近年來，太赫茲波以其獨(dú)特的性能和廣泛的應(yīng)用前景而越來越受到世界各國的關(guān)注，已被國際科學(xué)界公認(rèn)為是高科技領(lǐng)域的必爭(zhēng)之地，其研究和應(yīng)用對(duì)于未來作戰(zhàn)與國家安全將具有重大的戰(zhàn)略意義。太赫茲技術(shù)被美國評(píng)為“改變未來世界的十大技術(shù)”之一。

太赫茲波的特性

太赫茲技術(shù)之所以引起科學(xué)界廣泛的關(guān)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(dú)特的性質(zhì)。

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

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(huì)導(dǎo)致光致電離而破壞被檢質(zhì)，非常適用于針對(duì)人體或其他生物樣品的檢查。水對(duì)太赫茲輻射有極強(qiáng)的吸收性，太赫茲波不易穿透含水物體。

三是瞬態(tài)性。太赫茲脈沖的典型脈寬在皮秒（ps，10-12秒）數(shù)量級(jí)，通過取樣測(cè)量技術(shù)，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(chǎn)生機(jī)制，能夠直接測(cè)量電場(chǎng)的振幅和相位，從而方便提取樣品的折射率、吸收系數(shù)、消光系數(shù)、介電常數(shù)等參數(shù)。

太赫茲技術(shù)的應(yīng)用前景

太赫茲波的獨(dú)特性能在通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗、電磁武器、醫(yī)學(xué)成像、安全檢查等領(lǐng)域蘊(yùn)含著巨大的應(yīng)用前景。目前，太赫茲技術(shù)的應(yīng)用仍然在不斷地研究開發(fā)當(dāng)中，其廣袤的科學(xué)前景為世界所公認(rèn)。

軍事領(lǐng)域

一是太赫茲成像的應(yīng)用。太赫茲的頻率很高、波長(zhǎng)很短，具有很高的時(shí)域頻譜信噪比，且在濃煙、沙塵環(huán)境中傳輸損耗很少，可以穿透墻體對(duì)房屋內(nèi)部進(jìn)行掃描，是復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下尋敵成像的理想技術(shù)。未來城市及反恐作戰(zhàn)中，借助太赫茲特有的“穿墻術(shù)”，可以對(duì)“墻后”物體進(jìn)行三維立體成像，探測(cè)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(shù)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(cè)和識(shí)別上，更是“明察秋毫”。利用強(qiáng)太赫茲輻射照射路面，還可以遠(yuǎn)距離探測(cè)地下的雷場(chǎng)分布，士兵們不需要再靠近可疑地段或人員便可以對(duì)其進(jìn)行檢查。目前該技術(shù)已經(jīng)初步應(yīng)用于檢查郵件、識(shí)別炸藥及無損探傷等安全領(lǐng)域。

二是太赫茲雷達(dá)的應(yīng)用。在隱身技術(shù)應(yīng)用之后，常規(guī)的窄帶微波雷達(dá)在探測(cè)雷達(dá)截面很小的隱身兵器時(shí)往往顯得“力不從心”。而處于電磁頻譜過渡區(qū)域的太赫茲則是集眾家優(yōu)長(zhǎng)于一身。一方面，它的波長(zhǎng)很短，大約在30um—3mm 的范圍內(nèi)，可用于探測(cè)更小的目標(biāo)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(fā)射納秒以至皮秒級(jí)的脈沖，大大超過現(xiàn)有隱身技術(shù)的作用范圍。因此，不管是面對(duì)形狀隱身、涂料隱身，還是等離子體隱身的目標(biāo)時(shí)，都能讓它們“無處遁形”。美國是最早提出太赫茲雷達(dá)這一概念的國家，并先后進(jìn)行了0.2THz、1.56THz、0.6THz 等高分辨率雷達(dá)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了太赫茲雷達(dá)的可行性。太赫茲雷達(dá)作為未來高精度、反隱身雷達(dá)的發(fā)展方向之一，在軍事上將有廣闊的應(yīng)用前景。

三是太赫茲通信的應(yīng)用。軍事通信領(lǐng)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(yōu)點(diǎn)，具有傳輸速率高、容量大、方向性強(qiáng)、安全性高及穿透性好等諸多特性，已成為各國挖掘開發(fā)的熱點(diǎn)。一方面，太赫茲的頻段比現(xiàn)有微波通信要高出1—4 個(gè)數(shù)量級(jí)，意味著它可以承載更大的信息量，滿足戰(zhàn)場(chǎng)大數(shù)據(jù)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(qiáng)的抗干擾和云霧及偽裝物穿透能力，可以在大風(fēng)、沙塵以及濃煙等惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下以極高的帶寬進(jìn)行定向、高保密甚至明碼軍事通信。

航天領(lǐng)域

將太赫茲探測(cè)器與光學(xué)遙感技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)空間高分辨率、快速成像和波譜探測(cè)功能?？臻g太赫茲被動(dòng)遙感技術(shù)是目前太赫茲技術(shù)在天文和深空探測(cè)領(lǐng)域的主流應(yīng)用方向。許多歐美發(fā)達(dá)國家已經(jīng)實(shí)施或準(zhǔn)備實(shí)施太赫茲空間計(jì)劃，利用空間太赫茲設(shè)備在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)地球大氣成分、對(duì)流層的化學(xué)性質(zhì)及其動(dòng)力學(xué)等方面的科學(xué)研究工作。利用太赫茲技術(shù)可對(duì)航天器進(jìn)行損傷、疲勞和化學(xué)剝蝕檢查，太赫茲成像技術(shù)現(xiàn)已成為美國航天局用來檢測(cè)航天器缺陷的四大技術(shù)之一，如利用太赫茲技術(shù)有效地檢測(cè)出了導(dǎo)致“哥倫比亞”號(hào)慘劇發(fā)生的原因是“外部燃料箱泡沫脫粘”。

生物與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

太赫茲成像技術(shù)可應(yīng)用于檢查人體組織以發(fā)現(xiàn)病變區(qū)域，診斷疾病程度以及監(jiān)測(cè)醫(yī)療藥品的制造等。太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)則可用于檢驗(yàn)藥品質(zhì)量、測(cè)定藥品成分等。由于生物大分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的共振頻率均在太赫茲波段，因此太赫茲在糧食選種、優(yōu)良菌種的選擇等農(nóng)業(yè)和食品加工行業(yè)也有著良好的應(yīng)用前景。

檢驗(yàn)檢測(cè)領(lǐng)域

太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)可用于對(duì)儲(chǔ)油層巖石的性質(zhì)及其內(nèi)部構(gòu)造形態(tài)進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)巖石類型進(jìn)行區(qū)分和鑒別。太赫茲光譜儀信噪比高，可以對(duì)炸藥進(jìn)行無損、非電離、高靈敏度的光譜測(cè)量，適用于?；疯b別與檢測(cè)，國內(nèi)外已經(jīng)建立了大量有關(guān)?；返奶掌澲讣y譜數(shù)據(jù)庫。利用太赫茲技術(shù)可進(jìn)行食品檢測(cè)，包括水含量檢測(cè)、有害成分檢測(cè)、禁用化學(xué)成分檢測(cè)等。太赫茲成像還可以用于檢測(cè)汽車儀表盤質(zhì)量、建筑物內(nèi)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(shù)的研究現(xiàn)狀

隨著對(duì)太赫茲價(jià)值認(rèn)識(shí)的不斷深入，各國紛紛加快了針對(duì)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(guān)注，多項(xiàng)技術(shù)已逐漸成熟。

美國

太赫茲技術(shù)在2006 年就被列為美國國防重點(diǎn)科學(xué)，目前有多個(gè)研究機(jī)構(gòu)正在積極研發(fā)此項(xiàng)技術(shù)。美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）開展了TIFT 項(xiàng)目研究，旨在開發(fā)安全應(yīng)用方面的小型高感度太赫茲感測(cè)系統(tǒng)。美國勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗(yàn)室開展了先進(jìn)太赫茲光源以及基于新型半導(dǎo)體材料的太赫茲器件的研究等。美國斯坦福國家加速器實(shí)驗(yàn)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(xué)聯(lián)合的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室還在太赫茲遠(yuǎn)距離成像、太赫茲光譜成像生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等方面做出了突出貢獻(xiàn)。

歐洲

圍繞太赫茲技術(shù)的廣泛應(yīng)用前景，歐洲各國政府和企業(yè)產(chǎn)學(xué)研合作的研發(fā)日益活躍。

英國開展了WANTED 項(xiàng)目研究，開發(fā)了1—10THz的廣域半導(dǎo)體振動(dòng)器和檢波器；開展了TERAVISION 項(xiàng)目，開發(fā)應(yīng)用高功率、小型近紅外短脈沖激光的小型醫(yī)用太赫茲脈沖成像裝置。

法國實(shí)施了NANO-TERA 項(xiàng)目，研究太赫茲波段信號(hào)處理裝置。

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

瑞典查爾姆斯科技大學(xué)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(dá)。

丹麥研究人員搭建了一套太赫茲準(zhǔn)后向模擬目標(biāo)散射測(cè)量系統(tǒng)，后向散射角約6.6 度，系統(tǒng)測(cè)試頻率覆蓋了0—3THz。

中國

我國對(duì)太赫茲技術(shù)的研究起步較晚，目前已開展太赫茲人體安檢技術(shù)、太赫茲傳感器研究。太赫茲人體安檢儀在安檢過程中能夠?qū)崿F(xiàn)無接觸、不停留、無輻射的快速安檢，且檢測(cè)效率較高。參與研究生產(chǎn)的單位主要有首都師范大學(xué)、安徽博微長(zhǎng)安電子有限公司、北京航天易聯(lián)科技發(fā)展有限公司、中國電子科技集團(tuán)公司第五十研究所、中國電子科技集團(tuán)第三十八研究所等多家科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)。隨著中國近幾年科研技術(shù)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(duì)太赫茲傳感器的鼓勵(lì)支持政策力度不斷加大，在“十四五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“智能傳感器”重點(diǎn)專項(xiàng)中提出，針對(duì)特殊物質(zhì)生化量檢測(cè)難題，探索太赫茲增強(qiáng)傳感新機(jī)理和新方法，推動(dòng)太赫茲技術(shù)在醫(yī)療檢測(cè)領(lǐng)域的運(yùn)用。

太赫茲技術(shù)產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

在各國研究計(jì)劃的帶動(dòng)下，太赫茲技術(shù)取得了重要突破，為其實(shí)用化與商業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。

太赫茲技術(shù)已經(jīng)被國際科學(xué)界公認(rèn)為是下一代IT 產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，它在吸引各國科學(xué)家目光的同時(shí)，也吸引了不少大公司進(jìn)軍太赫茲技術(shù)商業(yè)化產(chǎn)品的開發(fā)。近年來太赫茲技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迅猛，包括太赫茲輻射源、太赫茲探測(cè)器、太赫茲譜分析系統(tǒng)、太赫茲成像系統(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80家的高科技公司研發(fā)銷售太赫茲的相關(guān)產(chǎn)品，這些公司主要集中在美國和歐洲。

美國知名企業(yè)，包括IBM、VDI、Physical Science 公司等，紛紛將目光轉(zhuǎn)向太赫茲產(chǎn)品的生產(chǎn)。IBM 公司開發(fā)出硅鍺太赫茲微處理器芯片，室溫下該芯片的時(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，該芯片能夠獲得更高的性能，時(shí)鐘頻率可達(dá)到0.5THz。VDI 公司主要生產(chǎn)太赫茲、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。由美國密歇根大學(xué)和斯坦福大學(xué)孵化出的Picometrix 公司主要生產(chǎn)太赫茲檢測(cè)系統(tǒng)，通過太赫茲成像檢查宇宙飛船外壁薄板內(nèi)部缺陷，并已投入使用。

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

此外，德國、瑞士、法國等國也出現(xiàn)了多家生產(chǎn)太赫茲技術(shù)相關(guān)產(chǎn)品的公司。