「应用前景」“第五维战场”拓展者太赫兹有着怎样的“高贵”身份和应用前景
国防科技大学气象海洋学院博士曾旸为您讲述——
“优美”太赫兹：空白远未填充
■解放军报采访人员 王握文 通讯员 王小丹
●它是迄今为止人类开发最少的波段 ， 曾一度被人遗忘
●它卓尔不群 ， 被誉为“改变未来世界的十大技术之一”
●它是“第五维战场”的拓展者 ， 在军事应用上潜力巨大
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在抗击新冠肺炎疫情期间 ， 一种基于太赫兹人体安检仪改造开发而成的“全过程无接触测温安检一体机” ， 在上海等地投入使用 ， 成为防控疫情的新装备 。“太赫兹”这个带有几分神秘色彩的物理学名词 ， 也再次引起人们的关注 。
“寻常看不见 ， 偶尔露峥嵘 。”近年来 ， 太赫兹只要一亮相 ， 就会引来各类科技类报刊、网站的争相报道 ， 其多项技术应用的吸睛能力堪比“网红” 。那么 ， 它到底有着怎样的“高贵”身份和诱人的应用前景呢？
太赫兹空白 ， 一道高难度“填空题”
在物理学中 ， 光是一种电磁波 。但电磁波是各不相同的 ， 差异就在于电磁振荡的频率 。太赫兹 ， 这个听上去颇有些“高大上”的名字 ， 具体指的是一个波动频率单位 ， 泛指频率在0.1～10太赫兹波段内的电磁波 。
然而 ， 看似平常一段“波” ， 太赫兹却与众不同 。从频率上看 ， 它处于射频的高频端（毫米波）和光学的低频端（远红外）之间 ， 高于毫米波而低于红外线；从能量上看 ， 其大小则在电子和光子之间 。
这一频段是光波与射频电磁波相互过渡、相互融合的区间 。太赫兹的独特之处就体现于此 。从物理学上讲 ， 太赫兹处于由宏观经典理论向微观量子理论、电子学向光子学过渡的交叉区域 ， 它既不完全适合用光学理论来看待 ， 也不完全适合用微波理论来研究 。
正是由于“不前不后”的特殊频段和“高不成低不就”特殊性质 ， 使得太赫兹辐射的产生和检测都非常困难 ， 让人“找不着”“摸不透” 。20多年前 ， 太赫兹波一度被人“遗忘” ， 以至于留下了一片后人称之的“太赫兹空白” 。它犹如一道难度系数极高的“填空题” ， 让物理学家发出了“想说爱你不容易”的感慨 。
纵观物理学发展史 ， 可以发现处于太赫兹两侧的红外和微波技术 ， 早在上世纪80年代就已发展成熟并获得广泛应用 。唯有对太赫兹 ， 人类却知之不多 ， 成了迄今为止了解最少、开发最少的一个波段 。
波段卓尔不群 ， 优势独特很诱人
相比其他电磁波 ， 太赫兹确实有些“高冷” ， 让人感到有些“生分” ， 甚至一度被遗忘 ， 但“我就在那儿” ， 也并不缺乏“追求者” 。因为 ， 太赫兹有着卓尔不群的波段 ， 其独特优势无时不刻在闪耀着科学的光芒 。
对于太赫兹的“优美” ， 物理学家的探索和认识在逐步深入 。它有机融合了光学和射频的优势：太赫兹对许多介电材料均有较好的穿透性 ， 能以很小的衰减穿透诸如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等物质；太赫兹的光子能量很小 ， 远低于X光等传统透视探测光 ， 不会造成被探测物的破坏；太赫兹波极高的频率使得时间分辨率显著提高 ， 从而具备更强的时间和空间调制和分辨能力 。此外 ， 太赫兹对应的波长 ， 正处于微观世界与宏观世界的结合过渡区域 ， 许多极性分子和生物大分子 ， 在这一频段都具有“指纹”特性的独特光谱结构 ， 由此可以获得丰富的生物及其材料信息 。
这些独特优势 ， 使太赫兹拥有极为广阔的应用前景：利用太赫兹相关技术 ， 可以加深对物理学、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 ， 推进太赫兹在生物医学、航空航天、天文探测等领域的应用 。比如 ， 我们前面提到的安检应用 ， 运用太赫兹成像技术 ， 可以穿透遮挡物 ， 非接触地对人体进行高分辨率成像 ， 并结合光谱信息识别违禁物品 ， 且对人体几乎没有电离损伤 。
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