比雷射和紅外更有價值,揭秘神秘的太赫茲波

談到紅外光、雷射和微波等等，相信大多數人都有所了解，不過，知道太赫茲的人可能就寥寥無幾了。

2004年，太赫茲（THz，10¹²Hz）技術首次被美國提出，並且被列為「改變未來世界的十大技術」之一，一時間，全球學術界的專家將目光投向了這一名不見經傳的技術。現在，十年過去了，業界對太赫茲的認知逐漸加深，不少專家更加確信太赫茲將顛覆未來絕大多數行業，甚至還有人認為太赫茲將是6G或者7G通信的基礎...

然而，無論是對學術界還是產業界而言，太赫茲依然還是電磁波譜裡面最神秘的存在。那麼太赫茲到底有何魅力能讓其吸引全球技術專家的關注？又是什麼阻礙研究人員進一步對太赫茲進行探索？帶著這些問題，雷鋒網在日前舉行的OFweek 2016（第十一屆）中國先進雷射技術及應用研討會暨行業年度評選頒獎典禮上採訪了中科院院士姚建銓。

太赫茲能顛覆哪些行業？

在電磁波頻譜上，太赫茲波的波長在3μm到1000μm之間，頻率為0.1-10THz（類似硬碟容量單位1TB、2TB..），是介於微波與紅外線之間的電磁波。

姚建銓告訴雷鋒網(公眾號：雷鋒網)，太赫茲和電磁波頻譜中其它波段不一樣，它幾乎兼具通信、雷達和遙感測距等所有功能，而且每項應用的表現都比現有技術佔優。

通信

從上圖中可以看出，太赫茲波介於無線電波和光學波之間，這在一定程度上賦予了它和其餘電磁波不同的特性——兼具微波通信以及光波通信的優點，即傳輸速率高、容量大、方向性強、安全性高及穿透性強等。

理論來講，在通信領域裡，頻率越高通信容量就越大。太赫茲波的頻率比目前使用的微波要高1～4個數量級，它能提供10Gbit/s以上的無線傳輸速率，這是微波無法達到的高度。因此，它能解決信息傳輸受制於帶寬的問題，也能滿足用戶對帶寬的需求。

雷達

因為太赫茲的波長很短，大約在30um—3mm的範圍內，遠小於微波與毫米波的波長，能達到更高的精度，而且穿透力遠遠強於雷射雷達。

另外，雷達是靠接收物體的反射信號來進行探測的，所以一旦物體表面對雷達波進行吸收或者散射，雷達就探測不到該物體。不過，上文已經提到太赫茲擁有非常寬的帶寬，所以它能更有效地監測到更多的物體，未來或許可以用於無人駕駛汽車等領域。

總的來說，太赫茲雷達具有高解析度、強穿透力和強抗幹擾能力等特點。

安檢成像

目前，在火車站、機場等公共場所進行安檢通常要進行兩步，先通過金屬安檢門（大多還是基於X射線），隨後全身被工作人員用手持式金屬探測器掃了個遍。這種方案有兩大缺點，搜身讓用戶很尷尬，另外X射線的輻射會對人體造成影響。

「太赫茲釋放的能量很小，不會在人體產生有害的光致電離，所以，相比X射線，太赫茲是一種更安全的安檢技術。」

姚建銓如是說。

除此之外，因為太赫茲的穿透能力很強，它不僅能探測到金屬，人體攜帶的非金屬、膠體、粉末、陶瓷、液體等危險物品都能被系統識別，安檢的效率也大大提升了。目前太赫茲人體安檢儀器已經在國內外投入使用了。

生物醫療診斷

姚建銓表示，太赫茲的頻段能夠直接探測到生物分子的信息，這是其他電磁波段無法無法比擬的。

太赫茲波很容易被水分子或氧氣分子等極性物質吸收（這也是太赫茲的一大缺點），由於不同的分子具有不同的吸收頻譜線，我們可以利用這些譜線以及太赫茲波成像技術來診斷一些重大疾病。不久前，中國科學院重慶綠色智能技術研究院太赫茲技術研究中心就表示太赫茲波能直接「看到」DNA、蛋白質等生物大分子，這就意味著，我們完全可以太赫茲技術來診斷癌細胞。

研究太赫茲難在哪？

不過遺憾的是，國內外對太赫茲研究的十幾年裡並沒有取得大的突破，太赫茲才剛剛從實驗室走向產品化的階段，到目前我們幾乎只能在部分安檢設備上看到太赫茲的影子，大規模商用似乎遙不可及。毫不誇張的說，人類對太赫茲的認知甚至還不如人工智慧。

姚建銓表示，技術不成熟是太赫茲無法大面積使用的根本原因，在這一頻段上，既不完全適合用光學理論來處理，也不完全適合微波的理論來研究；第二點就是，太赫茲測試與測量儀器設備也因為技術門檻過高而導致發展停滯不前。

「製造一個相關設備需要巨大的資金，而且僅憑現有的技術，產品的效率和體積都無法滿足大量場景的需求。」他補充道。因為，頻率越高，波長越短，對器件的工藝要求也就越高，至少國內現在還無法造出高質量的產品。

以目前的研究水平，微波和雷射的成本和效率都比要優於太赫茲雷達，但在未來的十年或二十年裡，太赫茲終將會成為最核心的技術。

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