首頁資訊太赫茲波：開啟人類新“視”界

太赫茲波：開啟人類新“視”界

來源：泰然健康網時間：2025年07月06日 16:33

去年12月, 無線通信技術國際標準化組織3GPP表示，將與世界各個國家和地區(qū)的相關團體一起著手制定6G技術標準，并預計6G在2030年前后普及，實現(xiàn)每秒100GB左右的通信速度，相當于現(xiàn)在5G通信速度的10倍。

目前，世界各國都很重視6G技術的研究與開發(fā)。與此同時，隨著6G技術向我們走來，作為6G通信的關鍵技術之一，太赫茲技術同樣吸引了人們的廣泛關注。具有大量絕對帶寬資源的太赫茲波，在通信領域具有廣泛的應用潛力。

當然，太赫茲技術的應用遠不止于此。在雷達系統(tǒng)、吸波材料及應用、生物醫(yī)學研究、光譜成像技術、探測與感知等多個領域，太赫茲技術同樣具有廣闊的發(fā)展前景。憑借瞬態(tài)性、穿透性、寬帶性、指紋性等許多獨一無二的特性，太赫茲波所具備的“透視眼”，能夠探測到其他光波探測不到的地方，自問世以來就不斷涌現(xiàn)有價值的技術突破。也正因此，太赫茲技術被美國評為“改變未來世界的十大技術之一”，被日本列為“國家支柱十大重點戰(zhàn)略目標”之首。

作為一個發(fā)展快速且備受關注的領域，太赫茲技術這些年一直是世界各國競相研究的熱門科研課題。

國外某實驗性太赫茲激光裝置。

太赫茲波：開啟人類新“視”界

■王永華孔銘

無處不在的神秘電磁波

說起太赫茲波，大家可能還有些陌生。但談到電磁波，人們都知道它無時無刻不在與我們打著交道：我們每天睜眼看見的光，是一種電磁波；早餐用微波爐熱牛奶所依靠的波，也是一種電磁波；我們打電話、發(fā)微信，傳遞信號運用的波還是電磁波……

事實上，太赫茲波也是一種電磁波，它就處于光域中的紅外頻段和微波域中的毫米波頻段之間，是頻譜范圍在0.1~10太赫茲（THz）、波長在0.03~3毫米之間的一段神秘電磁波。

為什么神秘呢？因為太赫茲波段在電磁波譜中的位置十分特殊，它左鄰微波、右靠紅外，處于電子學與光子學的交叉領域，既不完全適用電子微波理論來研究，也無法完全適用經典的光學理論來解釋。太赫茲波兩端的應用技術已相對成熟。比如，紅外夜視儀、家里常用的電視機遙控器等屬于紅外應用領域；廣播、移動電話、雷達等則屬于另一端的無線電波及微波領域。太赫茲波在相當長的時期內都備受“冷落”，被稱作電磁波譜中的“禁區(qū)”。

1800年，英國科學家赫歇爾在三棱鏡分光實驗中，發(fā)現(xiàn)了一種不可見卻能帶來熱量的光，但受限于當時的認知，他將這部分看不見的光子歸屬于紅外光。直到1881年，美國科學家蘭利研究出了測熱輻射計，使得探測太赫茲波成為可能。又過了將近一個世紀后的1974年，“太赫茲”這個名稱在科學家弗萊明的文章發(fā)表后，才逐漸被接受與使用。

近年來，隨著輻射源、探測器、光學元件等相關技術的進步，我們可以更容易探測到太赫茲波并加以應用，這也使太赫茲領域的研究從空白低谷走向繁榮創(chuàng)新，成為類似于太空、海洋、網絡空間一樣的世界大國科技競爭的新領域。

可透視的全能電磁波

目前，世界各國都對太赫茲技術傾注了極大的熱情，持續(xù)加緊部署相關戰(zhàn)略項目。比如，美國國家科學基金會、航空航天局、國防高級研究計劃局，英國宇航署，法國國家研究總署，德國研究聯(lián)合會，日本科學振興機構等都開展了多項關于太赫茲技術的研究。

國外某科研團隊研制出的納米級太赫茲波發(fā)生器。

不僅可以檢測衣服下遮蓋的手槍、箱子中隱藏的炸藥，讓這些危險品“無所遁形”；還可以幫助外科醫(yī)生在手術中進行可視化分析、輔助細胞病理學診斷，為我們的健康“保駕護航”……憑借不同于其他電磁波的特殊頻率所賦予的物理特性，如今，太赫茲波正在不同應用領域中大顯身手——

在實現(xiàn)超高速通信中釋放潛力。

太赫茲波集合了微波通信和光通信的雙重優(yōu)點，有載波頻率大、帶寬寬度大等特點，其頻譜的帶寬比微波和毫米波的總和還要高30倍。寬的頻譜范圍是良好的信息載體，可使通信的容量變得非常大，極好地解決了目前無線系統(tǒng)領域頻譜稀缺、容量限制、光纖接入難、成本高等問題。因此，各國不約而同地將太赫茲技術作為6G時代的首要課題。

2019年，日本電信電話集團宣布研發(fā)出一款太赫茲頻段的射頻芯片。同年，德國卡爾斯魯厄理工學院開發(fā)出一種太赫茲和光域之間的數據流轉換方法，有望應用在未來的6G網絡中。同年11月，全球首顆6G試驗衛(wèi)星搭載長征六號遙三運載火箭成功升空，這也是我國首個搭載太赫茲載荷的通信衛(wèi)星。

在醫(yī)學檢測上作出重大貢獻。

太赫茲波是一種非電離輻射光波，其光子能量約為4毫電子伏特，是X射線光子能量的百分之一。與現(xiàn)今醫(yī)療診斷中常用的X射線相比，低能量的太赫茲波不會產生電離效應，可清晰安全地對人體組織進行成像，可以作為超聲波、核磁共振、紅外成像等技術的重要補充?？杀苊釾射線對人體造成電離傷害、導致人體組織發(fā)生病變的可能，凸顯了太赫茲波較高的安全性。

2020年，俄羅斯ITMO大學太赫茲生物醫(yī)學實驗室在0.2~1THz頻率范圍內獲得不同程度胃癌黏膜的折射率和吸收系數，證明了癌癥組織具有比正常組織更高的光學特性。目前，利用太赫茲技術已可檢測出皮膚癌、乳腺癌、結腸癌和胃癌等多種癌細胞，這將極大地提升人類診斷防治疾病的能力。不僅如此，很多生物大分子在太赫茲波段會有一些類似“身份證”的特殊吸收峰。利用這些吸收峰，我們可以從太赫茲的光譜測量上來推斷物質的種類，進行物質鑒定。這可幫助我們鑒別果蔬食品中隱藏的農藥殘留物和有害添加劑，助力食品的新鮮安全。

在探索宇宙奧秘方面發(fā)揮巨大作用。

太赫茲波有助于我們聆聽宇宙的聲音，接收來自宇宙的信號。早在20世紀70年代，太赫茲波就在天文學研究中受到特別關注。隨后，人們建造了大量精密的太赫茲望遠鏡。我國“FAST”500米口徑球面射電望遠鏡，接收到的來自宇宙的亞毫米波，實際上就是太赫茲波。

太赫茲波也廣泛應用于觀測地球和宇宙的遙感技術中。在對地觀測中，人們可以借助太赫茲波探測大氣成分，達到預測天氣變化、檢測“溫室效應”的目的。在地外探測方面，人們可以利用太赫茲技術探測近地星際的水氧碳含量，同時輔助探索整個銀河系的有機化合物，進行行星表面的土壤巖層成分分析。

隨著太赫茲技術的飛速發(fā)展，科學家眼中能夠透視萬物的太赫茲波，正在一點點展現(xiàn)它的魅力。

軍事應用廣泛的奇妙電磁波

在軍事領域，太赫茲波的應用前景同樣不可忽視。這些年，美國、俄羅斯、日本等紛紛加大投入，力求在太赫茲波的軍事應用上占據領先賽道。

——在無損檢測中大展身手。在航天、雷達等先進材料及特殊部件的檢測中，太赫茲波具有極高的穿透性，能穿透大部分非極性物質，幫助檢測被檢測物是否有體積型缺陷，檢測X射線難以檢測的裂痕、污漬等平面型缺陷，且不會對被檢測物造成損傷。

太赫茲波穿透衣物安檢。

目前，太赫茲檢測技術已經在歐美等國家投入使用，并被美國航空航天局列為四大無損檢測技術之一。2003年，美國航空航天局和倫斯勒理工學院研究人員利用太赫茲無損檢測技術成功檢測了航天飛機的噴涂泡沫絕緣材料的孔隙和脫粘缺陷。美國API公司利用太赫茲無損檢測技術對雷達罩進行無損檢測，成功檢測到雷達罩的缺陷。

——在反導、反隱身中大有作為。雷達作為戰(zhàn)場上探測敵情的“眼睛”，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中用來偵察信息的強有力武器，也是未來戰(zhàn)場上重要的反導、反隱身利器?；谔掌澕夹g研制的太赫茲雷達具備更寬的頻譜、更高的頻率、更強的穿透性，以及受氣動光學效應影響小等特性，可使隱身飛行物體的窄帶吸波涂層喪失作用，以期獲得更高的戰(zhàn)斗效益。

如美國諾斯羅普·格魯門公司研制、配裝美國及其盟國多型軍機的AN/AAR-54紫外告警系統(tǒng)，可有效識別隱身武器。2020年初，美國國防高級研究計劃局啟動混合模式超大規(guī)模集成電路項目，旨在為軍事太赫茲雷達和通信提供高性能的芯片。

——在預警感知中掌握主動。能否在復雜的戰(zhàn)場環(huán)境中取得優(yōu)勢或掌握主動權，對戰(zhàn)爭的最終走向將產生至關重要的影響，太赫茲技術運用于軍事預警將更有利于實現(xiàn)對戰(zhàn)場態(tài)勢的感知。太赫茲波強大的穿透力，不僅可以無障礙透視墻體，掃描房子內部，探測到藏匿在墻后的武裝人員及武器，還可以在惡劣天氣或識別探測物體分辨率較低的情況下，看到“戰(zhàn)場迷霧”中的坦克、火炮等裝備。

2020年，德國弗勞恩霍夫工業(yè)數學研究所將量子傳感器技術應用于太赫茲探測器；同年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院提出了一種光纖耦合的緊湊型等離子體超寬帶探測器，檢測帶寬達2.5THz。以上，都將提升軍事預警偵察系統(tǒng)感知戰(zhàn)場態(tài)勢的水平。

——在保密通信中實現(xiàn)安全傳輸。信息化戰(zhàn)爭對戰(zhàn)場信息的時效性要求較高，能否安全及時地獲取軍事信息，將在一定程度上決定戰(zhàn)爭勝負。太赫茲波具備抗竊聽、抗干擾、抗探測等優(yōu)點，可為戰(zhàn)場信息的高效保密傳輸提供保障。在戰(zhàn)場環(huán)境中，電臺和武器用頻設備密集，電磁環(huán)境復雜，利用太赫茲波大容量、高速率的優(yōu)勢，可以組成戰(zhàn)地通信網絡內的無線通信鏈路。

2020年，德國卡爾斯魯厄理工學院提出一種低成本太赫茲接收器設計，首次試驗就實現(xiàn)了0.3THz載波頻率下每秒115GB數據速率的通信傳輸，傳輸距離達到110米以上。除此之外，美國萊斯大學將漏波天線與寬帶接收機配合使用，提出一種創(chuàng)新性方法，可快速精確定位覆蓋范圍內所有接收器。

作為一個還未完全開發(fā)的電磁頻段，太赫茲波存在著無數的可能等待大家去探索，其相關研究正方興未艾。伴隨著太赫茲技術的快速發(fā)展，其在未來戰(zhàn)場上發(fā)揮出的作戰(zhàn)效能，將會遠超我們的想象。

供圖:陽明