探秘太赫兹波

探秘太赫兹波

2018-04-07 11:43技术

什么是太赫兹?太赫兹是指频率在0.1THz-10THz范围的电磁波，波长在

0.03mm-3mm范围。人类社会存在诸如电磁波、震动波、伽马射线、X射线等各式各样的光波，而太赫兹波是人类迄今为止了解最少、开发最少的一个波段。

但是自从被人类发现以来，太赫兹已经在中国、美国、日本等多个国家的科研单位占据重要位置，甚至被评为可改变未来世界的十大技术之一。太赫兹波具有穿透性强、使用安全性高、定向性好、带宽高等技术特性。也正是因为这些特性，不管在医疗、安检还是战争中，太赫兹技术将发挥无与伦比的作用。

太赫兹能颠覆哪些行业?

1、通信

太赫兹波介于无线电波和光学波之间，这在一定程度上赋予了它和其余电磁波不同的特性--兼具微波通信以及光波通信的优点，即传输速率高、容量大、方向性强、安全性高及穿透性强等。

理论来讲，在通信领域里，频率越高通信容量就越大。太赫兹波的频率比目前使用的微波要高1~4个数量级，它能提供10Gbit/s以上的无线传输速率，这是微波无法达到的高度。因此，它能解决信息传输受制于带宽的问题，也能满足用户对带宽的需求。

2、雷达探测

因为太赫兹的波长很短，大约在30um-3mm的范围内，远小于微波与毫米波的波长，能达到更高的精度，而且穿透力远远强于激光雷达。

另外，雷达是靠接收物体的反射信号来进行探测的，所以一旦物体表面对雷达波进行吸收或者散射，雷达就探测不到该物体。不过，太赫兹拥有非常宽的带宽，所以它能更有效地监测到更多的物体，未来或许可以用于无人驾驶汽车等领域。总的来说，太赫兹雷达具有高分辨率、强穿透力和强抗干扰能力等特点。

3、安检成像

目前，在火车站、机场等公共场所进行安检通常要进行两步，先通过金属安检门(大多还是基于X射线)，随后全身被工作人员用手持式金属探测器扫了个遍。这种方案有两大缺点，搜身让用户很尴尬，另外X射线的辐射会对人体造成影响。而太赫兹释放的能量很小，不会在人体产生有害的光致电离，所以，相比X射线，太赫兹是一种更安全的安检技术。除此之外，因为太赫兹的穿透能力很强，它不仅能探测到金属，人体携带的非金属、胶体、粉末、陶瓷、液体等危险物品都能被系统识别，安检的效率也大大提升了。目前太赫兹人体安检仪器已在国内外投入使用。

4、战场态势感知

由于太赫兹波在电磁频谱中占有特殊位置，具备微波和红外辐射所不具有的独特属性，因此利用太赫兹频率高、波长短且在浓烟、沙尘等环境中传输损耗少等特性，可无障碍透视墙体进而对房屋内部进行扫描，是复杂战场环境下成像寻敌的理想技术。

尤其是太赫兹技术在塑料凶器、陶瓷手枪、塑胶炸弹、流体炸药和人体炸弹等检测识别上更加"精准高效"，战场上的战士不再需要靠近可疑地段或人员便可进行检查，大大提高安全性。

5、生物医疗诊断

太赫兹的频段能够直接探测到生物分子的信息，这是其他电磁波段无法无法比拟的。因此可以对食品中的地沟油、蔬菜水果中的农药、奶粉中的三聚氰胺等进行检测。

太赫兹对食品的检测

由于太赫兹波很容易被水分子或氧气分子等极性物质吸收，所以该辐射不会穿透人体的皮肤，对人体是很安全的。同时水和其他组织对太赫兹波具有不同的吸收

率，因此它可广泛应用于对人体局部成像和疾病的医疗诊断上，比如对于皮肤癌和乳腺癌等的检测。

不久前，中国科学院重庆绿色智能技术研究院太赫兹技术研究中心就表示太赫兹波能直接"看到"DNA、蛋白质等生物大分子，这就意味着，我们完全可以用太赫兹技术来诊断癌细胞

6、防治早期癌症

中科院重庆太赫兹技术研究中心主任崔洪亮早前接受采访时强调，当患者处于癌症早期时，癌细胞在人体血液或体液内的含量虽然非常少，但太赫兹波技术却能检测到，"这可以比传统检测技术提早6个月左右。对癌症患者而言，早期发现、早期诊断有助于癌症的根治"。

据了解，目前，通过太赫兹技术，已经能检测出肺癌早期在支气管中癌变的细胞。而在太赫兹技术更为成熟的美国、日本等国家，研究人员已经通过该技术检测出皮肤癌、乳腺癌、结肠癌和胃癌等多种癌细胞。

现代社会的工作竞争不断"升温"、生活压力提高，伴随着自然资源的紧缺和环境污染加剧，癌症患者越来越多，美国的一项最新调查数据显示，每三人中，一人有患癌症的可能性。日本太赫兹专家新纳清宪先生提出了用太赫兹量子波照射防治早期癌症的观点，并加以运用，即选择特定波长的太赫兹量子波对患者进行照射，利用太赫兹量子波与机体内生化酶、DNA、有机分子以及体内水产生共振，从而增强细胞活性，激活免疫细胞，提高免疫力和自愈能力。

太赫兹发展近况

1、陕西西安光机所太赫兹超材料功能器件研究获进展

日前，中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室研究员范文慧课题组，在太赫兹超材料功能器件方面的最新研究成果，在线发表在Carbon上，论文第一作者为博士研究生陈徐。

论文提出并研究了一种利用石墨烯构建的三维太赫兹超材料结构，通过与太赫兹波的相互作用，可以实现多个等离子体共振模式激发；论文首次提出将这种具有多个等离子体共振模式的三维超材料结构应用于太赫兹传感，具有很高的传感灵敏度，可实现多频段太赫兹波超灵敏主动传感和多频带完美吸收功能，为太赫兹传感研究提供了一种创新方法。

2、新集成技术通过太赫兹微芯片，让电脑和光纤的运行速度提高百倍

近来，《激光与光子纵览》载文称，经过3年的广泛研究，以色列耶路撒冷希伯来大学(HU)的物理学家Uriel Levy博士和HU名誉教授Joseph Shappir等发现

了一种新光学技术，该技术可以整合光通信的快捷性和电子产品的可靠性与可扩展性，通过太赫兹微芯片使计算机和光学通信设备的运行速度提高百倍。

光通信包括所有使用光和光纤传输的技术，如互联网，电子邮件以及云端等。虽然光通信的速度极快，但应用于微芯片领域时，它的不稳定性和难以量产极大制约了其发展。目前，Levy团队提出了一种可用于微芯片的、基于闪存技术的新

型集成电路理念。该集成电路采用了金属-氧化物-氮化物-氧化物-硅（MONOS）结构。如果这一新技术获得成功，那么将使标准的8~16千兆赫计算机的运行速度提升上百倍，并使光通信设备理想中的太赫兹芯片成为可能。

正如Levy博士所言，“MONOS结构的集成电路将协助人类跨越太赫兹的鸿沟。

它催生的更新更强劲的无线设备将使数据传输的速度超乎想象。在科技领航的新世界里，这将是一项改变时代的技术。”HU博士生Meir Grajower补充说：“基于高精度和低成本的闪存技术的光通信设备正在微芯片上集成，并在向我们靠近中。”

3、专家称太赫兹通信应是6G的新型频谱资源技术

工业和信息化部部长苗圩日前在接受采访时透露：“我们已经开始着手在研究

6G的发展，也就是第六代移动通信。”当前，全球纷纷对6G展开方向性研究，对一些潜在技术（如太赫兹通信技术）进行深入分析。

“太赫兹通信应是6G的新型频谱资源的技术，如同5G将频谱资源扩展到了毫米波。”电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室主任李少谦教授接受新华网采访说。太赫兹波是介于微波与红外线之间的电磁波。业界之所以对太赫兹如此重视，主要是因为太赫兹技术有着广阔的应用前景，包括太赫兹将是6G或者

7G通信的基础。

李少谦表示，随着未来无线通信需求与技术持续发展，需要不断开发新的频谱资源，提高信息传输速率。太赫兹频段（0.1-10THz）频谱资源具有100Gbps以上大容量传输能力，在未来无线与移动通信中大有用武之地。

太赫兹频谱资源开发利用受到了世界各国的高度重视和大力发展。据李少谦介绍，日本将开发太赫兹技术列为“国家支柱技术十大重点战略目标”之首，宣称将在2020年东京奥运会时实现100Gbps太赫兹高速通信，速度是目前LTE网络的1000倍；欧盟己将发展太赫兹通信列为了6G研究计划；ITU在WRC-19大会专设议题1.15，以确定运行在275GHz以上频段的陆地移动和固定业务系统的技术与操作特性，包括研究相关频谱需求、建立0.275-0.450THz频段范围内的传播模型、开展业务间电磁兼容分析、确定候选频段等。

“过去十年，我国在太赫兹源、检测器、调制器等功能器件和无线通信系统等方面开展了大量的研究工作，取得了一系列关键性成果。”李少谦说，希望国家持