國防科技大學氣象海洋學院博士曾暘講述太赫茲
● 它是迄今為止人類開發最少的波段，曾一度被人遺忘
● 它卓爾不群，被譽為“改變未來世界的十大技術之一”
● 它是“第五維戰場”的拓展者，在軍事應用上潛力巨大
在抗擊新冠肺炎疫情期間，一種基於太赫茲人體安檢儀改造開發而成的“全過程無接觸測溫安檢一體機”，在上海等地投入使用，成為防控疫情的新裝備。“太赫茲”這個帶有幾分神秘色彩的物理學名詞，也再次引起人們的關注。
“尋常看不見，偶爾露崢嶸。”近年來，太赫茲只要一亮相，就會引來各類科技類報刊、網站的爭相報道，其多項技術應用的吸睛能力堪比“網紅”。那麼，它到底有著怎樣的“高貴”身份和誘人的應用前景呢？
太赫茲空白，一道高難度“填空題”
在物理學中，光是一種電磁波。但電磁波是各不相同的，差異就在於電磁振盪的頻率。太赫茲，這個聽上去頗有些“高大上”的名字，具體指的是一個波動頻率單位，泛指頻率在0.1～10太赫茲波段內的電磁波。
然而，看似平常一段“波”，太赫茲卻與眾不同。從頻率上看，它處於射頻的高頻端（毫米波）和光學的低頻端（遠紅外）之間，高於毫米波而低於紅外線；從能量上看，其大小則在電子和光子之間。
這一頻段是光波與射頻電磁波相互過渡、相互融合的區間。太赫茲的獨特之處就體現於此。從物理學上講，太赫茲處於由宏觀經典理論向微觀量子理論、電子學向光子學過渡的交叉區域，它既不完全適合用光學理論來看待，也不完全適合用微波理論來研究。
正是由於“不前不後”的特殊頻段和“高不成低不就”特殊性質，使得太赫茲輻射的產生和檢測都非常困難，讓人“找不著”“摸不透”。20多年前，太赫茲波一度被人“遺忘”，以至於留下了一片後人稱之的“太赫茲空白”。它猶如一道難度係數極高的“填空題”，讓物理學家發出了“想說愛你不容易”的感慨。
縱觀物理學發展史，可以發現處於太赫茲兩側的紅外和微波技術，早在上世紀80年代就已發展成熟並獲得廣泛應用。唯有對太赫茲，人類卻知之不多，成了迄今為止瞭解最少、開發最少的一個波段。
波段卓爾不群，優勢獨特很誘人
相比其他電磁波，太赫茲確實有些“高冷”，讓人感到有些“生分”，甚至一度被遺忘，但“我就在那兒”，也並不缺乏“追求者”。因為，太赫茲有著卓爾不群的波段，其獨特優勢無時不刻在閃耀著科學的光芒。
對於太赫茲的“優美”，物理學家的探索和認識在逐步深入。它有機融合了光學和射頻的優勢：太赫茲對許多介電材料均有較好的穿透性，能以很小的衰減穿透諸如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等物質；太赫茲的光子能量很小，遠低於X光等傳統透視探測光，不會造成被探測物的破壞；太赫茲波極高的頻率使得時間分辨率顯著提高，從而具備更強的時間和空間調製和分辨能力。此外，太赫茲對應的波長，正處於微觀世界與宏觀世界的結合過渡區域，許多極性分子和生物大分子，在這一頻段都具有“指紋”特性的獨特光譜結構，由此可以獲得豐富的生物及其材料信息。
這些獨特優勢，使太赫茲擁有極為廣闊的應用前景：利用太赫茲相關技術，可以加深對物理學、化學、天文學、信息學和生命科學中一些基本科學問題的認識，推進太赫茲在生物醫學、航空航天、天文探測等領域的應用。比如，我們前面提到的安檢應用，運用太赫茲成像技術，可以穿透遮擋物，非接觸地對人體進行高分辨率成像，並結合光譜信息識別違禁物品，且對人體幾乎沒有電離損傷。
進入新世紀，隨著材料科學、精密加工等相關領域技術的快速發展，太赫茲波的發射、調製和檢測已由“不可能”變為“可能”，國際科學界將其視為“改變未來世界的十大技術之一”，許多國家紛紛加大對太赫茲技術的研究與應用力度。
從近幾年的科技新聞中，不時有太赫茲的“身影”。如去年4月，事件視界望遠鏡合作組織發佈的人類首張黑洞照片，就融合了多臺太赫茲望遠鏡的觀測數據；去年8月，我國氣象局對超強颱風“利奇馬”的及時預警，就有太赫茲大氣遙感衛星的貢獻。
軍事應用，拓展“第五維戰場空間”
隨著科學技術進步，對於太赫茲的空白，科學家們越來越有信心去填充了。雖任重而道遠，但畢竟已經起跑並正在加速。
歷史上，很多技術突破往往最先應用於軍事。姍姍來遲的太赫茲，在軍事領域有著廣闊的應用前景，特別是現代戰爭已從陸、海、空、天拓展到第五維電磁空間，它理所當然地成為了奪取電磁空間、謀取軍事競爭優勢的關鍵技術，擔當起拓展“第五維戰場空間”的角色。在目標探測、保密通信、戰場感知、精確制導和安全檢測等方面有望帶來突破性變革，特別是在以下3個方面將大顯身手：
高速率保密通信。太赫茲通信同時兼容了微波通信和光通信的優點。太赫茲波具有更高的載頻和帶寬，通信傳輸速率高、容量大，可以實現比5G通信高100倍的數據傳輸率和微秒級的網絡延遲，能為未來信息化作戰提供高速、海量的數據支撐。太赫茲波在大氣中傳輸的局域性強、方向性高、穿透性好，因此太赫茲通信難以被遠距離偵察監聽，可用於戰場環境下定向、高速率的保密通信。
高分辨率成像目標探測。太赫茲雷達作為一種先進探測技術，目前在國際上掀起了一股研究熱潮，其可行性已通過實驗驗證。利用太赫茲波優異的空間和時間分辨能力，能提供更加豐富的目標信息，實現對目標的高分辨率成像，還可對動態目標進行高精度的微動參數估計，為目標準確分類、識別提供重要依據；太赫茲雷達的工作頻率遠超當前隱身技術所覆蓋的頻率範圍，而其較短的波長甚至可與目標表面的粗糙起伏等細微結構相互作用，因此，不論是形狀隱身、塗料隱身，還是等離子體隱身，在太赫茲雷達探測下都有可能“露出馬腳”。
戰場感知與探測成像。利用太赫茲波的強穿透性和對空間的高度敏感性，可用於局部戰場環境感知，甚至對局部環境中的生物特徵（呼吸、心跳）和環境特徵（障礙、陷阱）等進行探測，還能穿透偽裝和一些牆體，對隱蔽者進行三維立體成像，如探測隱蔽的武器、偽裝埋伏的武裝人員和顯示沙塵或煙霧中的坦克、火炮等裝備，遠距離探測地雷等。
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