【科普课堂】太赫兹技术--改变未来世界的”超级波“

责编 | 吉 佳

太赫兹是一种新的、有很多独特优点的辐射源；太赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿领域，它被科学家们称为“改变未来世界的十大技术之一”。

在中国生物物理学会-太赫兹生物物理分会“成立之际，分会会长常超研究员将带领我们走进神奇的太赫兹世界。

什么是太赫兹

和微波一样，太赫兹其实也是一种电磁波。太赫兹通常是指的是0.1～10太赫兹（1太赫兹=1012赫兹）这个频段内的电磁波。这个波段正好位于微波和红外的交界处。也就是说，（频率）向下走就是微波、毫米波，（频率）向上走就是红外、可见光，它处于一个过渡区域。

在国际上，这个区域被称为“太赫兹空白”。因为它的源和探测器等技术的发展比别的频段要落后。1690年，惠更斯就提出了光学的基本理论，而第二次世界大战中也已经开始使用微波雷达，但是太赫兹的研究还是最近三十年的事情，相对会新一些，大家也就感觉陌生一些。

电磁波频带分布

太赫兹波段有什么优势

相比于传统的辐射源，太赫兹有很多优势。

第一个是它的穿透性好。这个穿透性是和谁相比呢？是指和可见光相比，太赫兹对某些介质的穿透性更强。具体来说，太赫兹对非极性介质具有很好的穿透性。比如我们身上穿的这些衣物、桌上的纸张、快递盒子甚至一些木质材料，太赫兹透过去都是没有任何问题的。利用这个特点，我们可以用它进行成像。

上图为利用太赫兹进行成像的一个例子，其中a为树叶的可见光下的图片，b为太赫兹成像效果，c为太赫兹成像的放大图像。由于太赫兹比可见光穿透能力强，因此，可以较为清楚地显示物体内部的情况。

为什么太赫兹能穿过非极性介质

因为很多分子的转动-振动能级在太赫兹波段，对于极性介质而言，由于其分子存在固有电偶极矩，容易与电磁场发生相互作用，导致分子转动-振动能级的跃迁，因此，极性介质对太赫兹波吸收较强。非极性介质不容易与电磁场发生相互作用，因而对太赫兹的吸收较弱。

太赫兹可以替代X射线吗

高穿透性的太赫兹在某些情况下就可以替代X射线进行成像。当然，这还涉及到太赫兹的另一个优势——能量低。我们知道X射线是肯定可以成像的，但X射线是确定的致电离辐射，有致畸致癌的风险。所以一般情况下都会规定人一年接受X射线照射不能超过一定的剂量。但是太赫兹不一样，它的光子能量比较低，一般而言，THz光子的能量要比X射线光子能量低4~7个量级，远低于细胞等生物组织的电离阈值，所以相对安全。

此外，太赫兹还具有瞬态性。这是因为太赫兹脉冲的脉宽非常窄，可以控制在皮秒（1/1012秒）量级，因而能进行一些快速的动力学探测，比如分析某个化学反应的中间过程。

最后，但也是目前认为最重要的一个特点，就是太赫兹具有指纹特性。这是什么意思呢？大部分极性分子和生物大分子的振动或转动产生的分子（光）谱都处在太赫兹波段。比如蛋白质、核酸，这些都是由很多原子构成的生物大分子，这些分子间的弱相互作用、骨架振动以及原子间极性结构的转动和振动频率恰好都处在太赫兹频段。这样一来，大分子的结构特征就决定了它的特征分子（光）谱，那么反过来，知道了它的分子（光）谱，也就能识别出这究竟是什么种类的物质了。

不同波段电磁波对比

太赫兹的应用前景如何

太赫兹的穿透性可以用于安检。太赫兹可以穿透衣服，检查隐藏在衣服下面的一些危险物品。太赫兹只能穿透衣服，到肉就穿不透了，身上藏着的小刀、手枪也都穿不透。其实，毫米波也可以做同样的事情，但是相比于太赫兹，毫米波的波长更长，空间分辨率也就更差一些。目前，国内有好几家企业在做太赫兹的安检系统，并且已经在上海世博会期间使用了。

太赫兹安检示意图

此外，太赫兹的穿透性还可以用于医学检测，比如乳腺癌筛查。传统的乳腺癌筛查都是用X射线。但实际上，X射线并不是特别好使，所以才要用钼靶。因为X射线的穿透力太强了，成像时肿瘤组织和健康组织之间的对比度就比较差。因此，要用钼靶对乳房组织进行挤压，才能得到更清晰的图像。但癌组织，尤其是乳腺癌，在太赫兹频段下的成像很清晰。前面说过，水是极性介质，能吸收太赫兹波。但乳腺中多为脂肪组织，含水量相对较少，因而正常组织和病变组织的成像差异更加明显。这方面的应用英国比较领先，用太赫兹检测皮肤癌和乳腺癌都已经实现产业化了。

还有就是利用太赫兹的指纹特性做食品安全的检测。比如，想判断这个油是正常的食用油，还是劣质油或者地沟油，它们的分子（光）谱不一样。由于地沟油经过反复高温加热，其中的不饱和脂肪酸会发生结构上的变化，并且，地沟油一般还含有重金属、真菌毒素和油脂氧化物等有害成分，和正常的食用油的分子组成是不一样的。那么产生的分子（光）谱也一定不同。同理，还可以检测奶粉里有没有添加三聚氰胺，两者的谱肯定也是不一样的。国内很多高校和研究机构都在做这一方面的研究，如上海理工大学、天津大学、电子科技大学、南京大学、中科院电子所等。

相比于微波，太赫兹的带宽更宽。一般情况下，太赫兹的带宽可以做到吉赫兹（GHz），有的可以达到10吉赫兹。而大部分的微波源，比如X波段源，中心频率是9吉赫兹，但带宽只有中心频率的10%，也就是0.9吉赫兹。相比于微波，太赫兹的带宽可以提高10倍。带宽提高了10倍，传输速率就会成百上千倍地提高。在2013年，德国开发的太赫兹通信系统，传输速率已经达到了100Gbps。你看我们现在的移动通信逐渐发展到5G甚至6G，6G就会用到百吉赫兹的电磁波了。所以，未来再发展下去，也许我们就都用太赫兹波段的手机了。

制约太赫兹发展的最大因素是什么

太赫兹源的功率有待提高。目前来讲，常规的太赫兹源的平均功率是毫瓦量级，大概是几十毫瓦到几百毫瓦。主要原因是源的效率都非常之低，可能只有1%。在太赫兹的频段下，这些常规器件都不是特别高效，能量都热损耗掉了。这里说的常规器件不包括像自由电子激光器那样的大型科学装置。

本文内容节选整理自《科学世界》对常超研究员的采访

全文刊载于《科学世界》2019年第11期

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原标题：《【科普课堂】太赫兹技术--改变未来世界的”超级波“》

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