什么是太赫兹？太赫兹波的研究进展和应用

     什么是太赫兹？

电磁波这个大自然存在的东西，人类在很长的时间内都没有识别到。

直到一个伟大的数学天才——麦克斯韦，通过总结法拉第等人的实验结果，经过数学严密推导，预言了电磁波的存在。然后，赫兹在实验中证实了这个预言。

然后在上个世纪，电磁波的应用才真正进入到人类社会。

在移动通信中，从最早的1G，几十年间发展到现在的5G以及将来的6G，对电磁波频段的需求越来越大，从最初的兆赫兹（MHz），到现在的吉赫兹（GHz）。

移动通信中的两个G的意思是不一样的。比如，5G中的“G”是Generation 的意思，5G就是第五代；而电磁波频率的G是指GHz，1GHz=1000000000Hz，也就是电磁波一秒钟运行1000000000个周期。

然而，5G的主流频谱并不是5GHz。

麦克斯韦的伟大之处是统一了电和磁，也统一了电磁波和光，所以电磁波的频谱也从长波，短波，微波，毫米波，红外，可见光，紫外，以及更高频率的X射线， 伽马射线等等。

太赫兹，就是电磁波频率在THz的这一段电磁波频谱。

     太赫兹是多少赫兹呢？

我们截取百度百科中的这段单位换算，以便大家更好地理解。

太赫兹表示10^12 赫兹频率，也就是每秒钟变换10^12 次方个周期。12个零太长了，所以就用“T”来代替，英语叫做 tera，所以也叫太拉赫兹，简称太赫。

比太赫兹更多“0”的还有PHz（拍赫兹）和EHz（艾赫兹）。这里也要记住一个英语表示数字的习惯，他们以3位为一组，可以用空格或者逗号隔开，有的国家甚至用点号隔开。

一般情况下，太赫兹波指的是电磁波频率在0.1THz到10THz频率范围内的电磁波，对应的波长是3毫米-30微米，也就是在低频段与毫米波有重合，在高频段与红外线有重合，介于毫米波和红外线之间的一段电磁波频谱。

这个频率范围也就决定了太赫兹的特性。

太赫兹既有毫米波的波动性，又有红外线光的粒子性，在宽带通信、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像（无标记的基因检查、细胞水平的成像）、无损检测、安全检查（生化物的检查）等领域都可以广泛应用。

     太赫兹波的研究进展

太赫兹波这段频谱由于波长极短，最长仅有3毫米，但又不到红外线和光的频段，所以在很长一段时间内，人们的认识非常局限，形成了著名的“太赫兹鸿沟”。

2004年，美国政府将太赫兹评选为“改变未来世界的十大技术”之一。2005年，日本也将太赫兹技术列为“国家支柱十大重点战略目标”之首，举全国之力进行研发。

我国在2005年的香山科技会议上，邀请国内多位在太赫兹研究领域有影响的院士专门讨论我国太赫兹的发展方向，并制定了我国太赫兹技术的发展规划。

目前，国内已经有多家研究机构开展太赫兹领域的相关研究，包含毒品和炸药的太赫兹光谱识别、非极性航天材料内部缺陷无损检测、以及安检原型设备等等。

另外，美国、欧洲、亚洲、澳大利亚等许多国家和地区政府、机构、企业、大学和研究机构纷纷投入到太赫兹的研发热潮之中。

太赫兹研究领域的开拓者之一，美国著名学者张希成博士称：“Next-ray, T-Ray！”

     太赫兹波的应用

太赫兹波段能够覆盖半导体、等离子体，有机体和生物大分子等物质的特征谱，可以拓展人类对物理学、化学、天文学、信息学和生命科学中一些基本科学问题的认识。

此外，太赫兹技术还可广泛应用于雷达、遥感、国土安全与反恐、高保密的数据通讯与传输、大气与环境监测、实时生物信息提取以及医学诊断等领域。

因此，太赫兹研究对国民经济和国家安全有重大的应用价值。太赫兹技术在成像，雷达，通信，生物医学等领域有着广泛的应用。

1. 太赫兹成像技术

跟其他波段的成像技术一样，太赫兹成像也是利用射线照射被测物，通过物品的透射或反射获得样品的信息，进而成像。

中国科学院深圳先进技术研究院光电工程技术中心鲁远甫团队提出并实现了一种基于空间傅里叶谱的新型太赫兹单像素成像技术。

太赫兹成像技术利用了太赫兹波的低能量和非电离波的特性，对人体危害极小，在安检领域和医学领域有着比较好的应用前景。

 

2. 太赫兹雷达

实际上太赫兹雷达也是利用了太赫兹的成像技术，宽频太赫兹雷达能够对目标物体进行高分辨率的三维成像，而且它还能从光谱数据中提取出目标物成分的详细信息。

在陆、海、空、天、电磁五维战场中，太赫兹都可以对目标物进行对象识别。太赫兹的独特性能给军事通信（宽带通信）、雷达、电子对抗、电磁武器等领域带来深远的影响。

 

前不久，我国公布了首部太赫兹雷达研制成功的消息，虽然探测距离仅有1000米，但是其功能绝对是前所未有。

它可以在1000米范围内，穿透周边的所有障碍物，并对障碍物后面的目标进行识别，这就是现实中穿墙术。

对于反恐作战来说，这绝对是最好的装备，让躲在障碍物后面的的恐怖分子无藏身之处。

3. 太赫兹通信

作为 6G 潜在技术之一，太赫兹技术对数据速率提升、超密集连接、低时延传输等具有积极作用。

2021年，发表在中兴通讯技术的一篇文章对太赫兹在6G通信中的应用做了详细的分析。

 

文章对太赫兹通信的应用场景做了详细的分析论证，主要在无线回传、前传，车载通信和卫星通信领域的应用。

 

太赫兹波作为电磁波的一段重要的频谱组成，其在未来的应用前景不可小觑。对于射频工程师来说，这段频谱也是需要去追踪和掌握的，当我们完成毫米波通信的大规模运用之后，太赫兹通信，就是我们下一步需要攻克的难题。

需求不止，技术的发展也永不停止。

　　审核编辑：汤梓红