什么是太赫茲？太赫茲波的研究進(jìn)展和應(yīng)用

什么是太赫茲？

電磁波這個(gè)大自然存在的東西，人類(lèi)在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)都沒(méi)有識(shí)別到。

直到一個(gè)偉大的數(shù)學(xué)天才——麥克斯韋，通過(guò)總結(jié)法拉第等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)嚴(yán)密推導(dǎo)，預(yù)言了電磁波的存在。然后，赫茲在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了這個(gè)預(yù)言。

然后在上個(gè)世紀(jì)，電磁波的應(yīng)用才真正進(jìn)入到人類(lèi)社會(huì)。

在移動(dòng)通信中，從最早的1G，幾十年間發(fā)展到現(xiàn)在的5G以及將來(lái)的6G，對(duì)電磁波頻段的需求越來(lái)越大，從最初的兆赫茲（MHz），到現(xiàn)在的吉赫茲（GHz）。

移動(dòng)通信中的兩個(gè)G的意思是不一樣的。比如，5G中的“G”是Generation 的意思，5G就是第五代；而電磁波頻率的G是指GHz，1GHz=1000000000Hz，也就是電磁波一秒鐘運(yùn)行1000000000個(gè)周期。

然而，5G的主流頻譜并不是5GHz。

麥克斯韋的偉大之處是統(tǒng)一了電和磁，也統(tǒng)一了電磁波和光，所以電磁波的頻譜也從長(zhǎng)波，短波，微波，毫米波，紅外，可見(jiàn)光，紫外，以及更高頻率的X射線， 伽馬射線等等。

太赫茲，就是電磁波頻率在THz的這一段電磁波頻譜。

太赫茲是多少赫茲呢？

我們截取百度百科中的這段單位換算，以便大家更好地理解。

太赫茲表示10^12 赫茲頻率，也就是每秒鐘變換10^12 次方個(gè)周期。12個(gè)零太長(zhǎng)了，所以就用“T”來(lái)代替，英語(yǔ)叫做tera，所以也叫太拉赫茲，簡(jiǎn)稱(chēng)太赫。

比太赫茲更多“0”的還有PHz（拍赫茲）和EHz（艾赫茲）。這里也要記住一個(gè)英語(yǔ)表示數(shù)字的習(xí)慣，他們以3位為一組，可以用空格或者逗號(hào)隔開(kāi)，有的國(guó)家甚至用點(diǎn)號(hào)隔開(kāi)。

一般情況下，太赫茲波指的是電磁波頻率在0.1THz到10THz頻率范圍內(nèi)的電磁波，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)是3毫米-30微米，也就是在低頻段與毫米波有重合，在高頻段與紅外線有重合，介于毫米波和紅外線之間的一段電磁波頻譜。

這個(gè)頻率范圍也就決定了太赫茲的特性。

太赫茲既有毫米波的波動(dòng)性，又有紅外線光的粒子性，在寬帶通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗、電磁武器、天文學(xué)、醫(yī)學(xué)成像（無(wú)標(biāo)記的基因檢查、細(xì)胞水平的成像）、無(wú)損檢測(cè)、安全檢查（生化物的檢查）等領(lǐng)域都可以廣泛應(yīng)用。

太赫茲波的研究進(jìn)展

太赫茲波這段頻譜由于波長(zhǎng)極短，最長(zhǎng)僅有3毫米，但又不到紅外線和光的頻段，所以在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，人們的認(rèn)識(shí)非常局限，形成了著名的“太赫茲鴻溝”。

2004年，美國(guó)政府將太赫茲評(píng)選為“改變未來(lái)世界的十大技術(shù)”之一。2005年，日本也將太赫茲技術(shù)列為“國(guó)家支柱十大重點(diǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)”之首，舉全國(guó)之力進(jìn)行研發(fā)。

我國(guó)在2005年的香山科技會(huì)議上，邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)多位在太赫茲研究領(lǐng)域有影響的院士專(zhuān)門(mén)討論我國(guó)太赫茲的發(fā)展方向，并制定了我國(guó)太赫茲技術(shù)的發(fā)展規(guī)劃。

目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有多家研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展太赫茲領(lǐng)域的相關(guān)研究，包含毒品和炸藥的太赫茲光譜識(shí)別、非極性航天材料內(nèi)部缺陷無(wú)損檢測(cè)、以及安檢原型設(shè)備等等。

另外，美國(guó)、歐洲、亞洲、澳大利亞等許多國(guó)家和地區(qū)政府、機(jī)構(gòu)、企業(yè)、大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)紛紛投入到太赫茲的研發(fā)熱潮之中。

太赫茲研究領(lǐng)域的開(kāi)拓者之一，美國(guó)著名學(xué)者張希成博士稱(chēng)：“Next-ray, T-Ray！”

太赫茲波的應(yīng)用

太赫茲波段能夠覆蓋半導(dǎo)體、等離子體，有機(jī)體和生物大分子等物質(zhì)的特征譜，可以拓展人類(lèi)對(duì)物理學(xué)、化學(xué)、天文學(xué)、信息學(xué)和生命科學(xué)中一些基本科學(xué)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)。

此外，太赫茲技術(shù)還可廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、遙感、國(guó)土安全與反恐、高保密的數(shù)據(jù)通訊與傳輸、大氣與環(huán)境監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)生物信息提取以及醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域。

因此，太赫茲研究對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全有重大的應(yīng)用價(jià)值。太赫茲技術(shù)在成像，雷達(dá)，通信，生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

1. 太赫茲成像技術(shù)

跟其他波段的成像技術(shù)一樣，太赫茲成像也是利用射線照射被測(cè)物，通過(guò)物品的透射或反射獲得樣品的信息，進(jìn)而成像。

中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院光電工程技術(shù)中心魯遠(yuǎn)甫團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于空間傅里葉譜的新型太赫茲單像素成像技術(shù)。

太赫茲成像技術(shù)利用了太赫茲波的低能量和非電離波的特性，對(duì)人體危害極小，在安檢領(lǐng)域和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著比較好的應(yīng)用前景。

2. 太赫茲雷達(dá)

實(shí)際上太赫茲雷達(dá)也是利用了太赫茲的成像技術(shù)，寬頻太赫茲雷達(dá)能夠?qū)δ繕?biāo)物體進(jìn)行高分辨率的三維成像，而且它還能從光譜數(shù)據(jù)中提取出目標(biāo)物成分的詳細(xì)信息。

在陸、海、空、天、電磁五維戰(zhàn)場(chǎng)中，太赫茲都可以對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行對(duì)象識(shí)別。太赫茲的獨(dú)特性能給軍事通信（寬帶通信）、雷達(dá)、電子對(duì)抗、電磁武器等領(lǐng)域帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。

前不久，我國(guó)公布了首部太赫茲雷達(dá)研制成功的消息，雖然探測(cè)距離僅有1000米，但是其功能絕對(duì)是前所未有。

它可以在1000米范圍內(nèi)，穿透周邊的所有障礙物，并對(duì)障礙物后面的目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，這就是現(xiàn)實(shí)中穿墻術(shù)。

對(duì)于反恐作戰(zhàn)來(lái)說(shuō)，這絕對(duì)是最好的裝備，讓躲在障礙物后面的的恐怖分子無(wú)藏身之處。

3. 太赫茲通信

作為 6G 潛在技術(shù)之一，太赫茲技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)速率提升、超密集連接、低時(shí)延傳輸?shù)染哂蟹e極作用。

2021年，發(fā)表在中興通訊技術(shù)的一篇文章對(duì)太赫茲在6G通信中的應(yīng)用做了詳細(xì)的分析。

文章對(duì)太赫茲通信的應(yīng)用場(chǎng)景做了詳細(xì)的分析論證，主要在無(wú)線回傳、前傳，車(chē)載通信和衛(wèi)星通信領(lǐng)域的應(yīng)用。

太赫茲波作為電磁波的一段重要的頻譜組成，其在未來(lái)的應(yīng)用前景不可小覷。對(duì)于射頻工程師來(lái)說(shuō)，這段頻譜也是需要去追蹤和掌握的，當(dāng)我們完成毫米波通信的大規(guī)模運(yùn)用之后，太赫茲通信，就是我們下一步需要攻克的難題。

需求不止，技術(shù)的發(fā)展也永不停止。