国防科普加油站（2）太赫兹：一道远未完成的“填空题”

日前，由中国兵工学会与国防科技大学主办的第五届全国太赫兹科学技术与应用学术交流会在长沙举行。来自全国53所高校、85家科研院所及相关企业的400多名专家、学者和企业代表汇聚湘江之畔，围绕太赫兹前沿基础研究、技术发展与应用、相关器件研制等进行了深入探讨与交流。

“第五届全国太赫兹科学技术与应用学术交流会”现场

本次会议以“聚力基础前沿、引领应用发展”为主题，共收到论文160余篇，集中体现了近年来我国在太赫兹技术与应用领域的最新研究成果。中国科学院院士吴一戎等80多名专家学者在会上做了主题报告和特邀报告。会议聚焦太赫兹辐射源、太赫兹检测器、太赫兹波调控与传输、太赫兹雷达与通信应用、太赫兹光谱与成像应用等5个前沿领域进行了学术交流，并展示了我国近年来在太赫兹技术领域取得的最新成果和产品。

这次会议在太赫兹研究领域刮起了一场“头脑风暴”，也再次吸引了人们对太赫兹的关注。那么，它到底有着怎样的科学奥秘和诱人的应用前景呢？

在物理学中，光是一种电磁波。但电磁波是各不相同的，差异就在于电磁振荡的频率。太赫兹，别看它名字“高大上”，其实就是一个波动频率单位，泛指频率在0.1～10太赫兹波段内的电磁波。

然而，看似平常一段“波”，太赫兹却与众不同。从频率上看，它处于射频的高频端（毫米波）和光学的低频端（远红外）之间，高于毫米波而低于红外线；从能量上看，其大小则在电子和光子之间。

这一频段是光波与射频电磁波相互过渡、相互融合的区间。太赫兹的独特之处就体现于此。从物理学上讲，太赫兹处于由宏观经典理论向微观量子理论、电子学向光子学过渡的交叉区域，它既不完全适合用光学理论来看待，也不完全适合用微波理论来研究。

正是由于“不前不后”的特殊频段和“高不成低不就”特殊性质，使得太赫兹辐射的产生和检测都非常困难，让人“找不着”“摸不透”。20多年前，太赫兹波一度被人“遗忘”，以致于留下了著名的“太赫兹空白”，它犹如一道难度系数极高的“填空题”，让物理学家也有些发怵，发出“想说爱你不容易”的感慨。

纵观物理学发展史，可以发现处于太赫兹两侧的红外和微波技术，早在上世纪80年代就已发展成熟并获得广泛应用，唯有对太赫兹却知之不多，它成了人类迄今为止了解最少、开发最少的一个波段，“太赫兹空白”也成了一道远未完成的“填空题”。

相比其它电磁波，太赫兹确实有些“高冷”和“小傲娇”，让人望而生畏。虽然一度被人“遗忘”，但“我就在那儿”，也不来不缺乏“追求者”。因为，太赫兹有着卓尔不群的波段，其独特优势无时不刻在闪耀着科学的光芒。

对于太赫兹的“优美”，物理学家们自然比普通人了解得多。太赫兹波段的卓尔不群，在于它有机融合了光学和射频的优势。首先，太赫兹对许多介电材料均有较好的穿透性，能以很小的衰减穿透诸如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等物质；其次，太赫兹的光子能量很小，远低于X光等传统透视探测光，不会造成被探测物的破坏；第三，太赫兹波极高的频率使得时间分辨率显著提高，从而具备更强的时间和空间调制和分辨能力。此外，太赫兹对应的波长，正处于微观世界与宏观世界的结合过渡区域，许多极性分子和生物大分子，在这一频段都具有“指纹”特性的独特光谱结构，由此可以获得丰富的生物及其材料信息。

这些独特优势，使太赫兹拥有极为广阔的应用前景：利用太赫兹相关技术，可以加深对物理学、化学、天文学、信息学和生命科学中一些基本科学问题的认识，推进太赫兹在生物医学、航空航天、天文探测、安检等领域的应用。比如，在安检应用中，运用太赫兹成像技术，可以穿透遮挡物，非接触地对人体进行高分辨率的成像，并结合光谱信息识别违禁物品，且对人体几乎没有电离损伤。

太赫兹安检成像系统

太赫兹安检成像系统结果

进入新世纪，随着材料科学、精密加工等相关领域技术的快速发展，太赫兹波的发射、调制和检测已由“不可能”变为“可能”，许多国家将其视为“改变未来世界的十大技术之一”，加大对太赫兹技术的研究与应用力度，从近几年的科技新闻中，不时有太赫兹的“身影”。如去年4月，事件视界望远镜合作组织发布的人类首张黑洞照片，就融合了多台太赫兹望远镜的观测数据，去年8月，我国气象局对超强台风“利奇马”的及时预警，也离不开太赫兹大气遥感卫星的贡献。

随着科学技术进步，对于“太赫兹空白”这道“填空题”，科学家现在越来越有信心去填写了，虽然任重而道远，毕竟已经起跑并正在加速。

任何一项技术突破往往最先用于军事，太赫兹虽然姗姗来迟，在军事领域的应用却有着极其广阔的前景，特别是现代战争已从陆、海、空、天拓展到第五维电磁空间，它理所当然成为了夺取电磁空间、谋取军事竞争优势的关键技术，担当起拓展第五维战场空间的角色。卓尔不群、优势独特的太赫兹，在目标探测、保密通信、战场感知、精确制导和安全检测等方面有望带来突破性变革，在以下3个方面将大显身手：

高速率保密通信。太赫兹通信同时兼容了微波通信和光通信的优点。太赫兹波具有更高的载频和带宽，通信传输速率高、容量大，可以实现比5G通信高100倍的数据传输率和微秒级的网络延迟，能为未来信息化作战提供高速、海量的数据支撑。太赫兹波在大气中传输的局域性强、方向性高、穿透性好，因此太赫兹通信难以被远距离侦察监听，可用于战场环境下定向、高速率的保密通信。

太赫兹高速率无线通信

高分辨率成像目标探测。太赫兹雷达作为一种先进探测技术，目前在国际上掀起了一股研究热潮，其可行性已通过实验验证。利用太赫兹波优异的空间和时间分辨能力，能提供更加丰富的目标信息，实现对目标的高分辨率成像，还可对动态目标进行高精度的微动参数估计，为目标准确分类、识别提供重要依据；太赫兹雷达的工作频率远超当前隐身技术所覆盖的频率范围，而其较短的波长甚至可与目标表面的粗糙起伏等细微结构相互作用，因此，不论是形状隐身、涂料隐身，还是等离子体隐身，在太赫兹雷达探测下都有可能“露出马脚”。

战场感知与探测成像。利用太赫兹波的强穿透性和对空间的高度敏感性，可用于局部战场环境感知，甚至对局部环境中的生物特征（呼吸、心跳）和环境特征（障碍、陷阱）等进行探测，还能穿透伪装和一些墙体，对隐蔽者进行三维立体成像，如探测隐蔽的武器、伪装埋伏的武装人员和显示沙尘或烟雾中的坦克、火炮等装备，还能远距离探测地雷等。（作者：王握文、曾旸 来源：国防科技大学）

本文链接：https://www.bjjcc.cn/kepu/16411.html，文章来源：科普之家，作者：国防电子信息，版权归作者所有，如需转载请注明来源和作者，否则将追究法律责任！