第一次聽到“太赫茲”，可能會想“難不成是赫茲的爺爺”。其實“太赫茲”是單位Terahertz的英譯，是指100 GHz~10 THz的電磁輻射（也有定義300GHz ~ 10 THz），波長在0.03mm~3mm范圍， 如圖一所示，在電磁頻譜上，太赫茲波段兩側(cè)的紅外和微波技術(shù)已經(jīng)相對成熟。

    從19世紀(jì)后期太赫茲波段正式命名之后，涉及太赫茲波段的研究結(jié)果和數(shù)據(jù)卻非常稀少，在此頻段上，既不完全適合用光學(xué)理論來處理，也不完全適合微波的理論來研究，另外在很大程度上受限于有效的太赫茲源和探測器，因此這一波段一度被稱為Terahertz Gap“太赫茲鴻溝”。

    圖1: 太赫茲電磁波頻譜介紹 [Physics Inventions]

    2004年，美國政府將太赫茲技術(shù)評為 “改變未來世界的十大技術(shù)” 之一，DARPA（美國國防部高級研究計劃局）和NASA（美國國家航空與航天局）自2009年起均投入較大的資金和研發(fā)力量，進行太赫茲組件及系統(tǒng)的研發(fā)。2005年，日本政府更是將太赫茲技術(shù)列為 “國家支柱十大重點戰(zhàn)略技術(shù)” 之首。

    我國政府分別在2005和2014年專門召開了 “香山科技會議” ，制定了我國太赫茲技術(shù)的發(fā)展藍(lán)圖。2016年底， “太赫茲谷” 如火如荼的在烏魯木齊與中國電子科技集團公司合作下開始建設(shè)。另外歐洲，澳大利亞，日韓，臺灣等許多國家和地區(qū)政府、研究機構(gòu)、大學(xué)和企業(yè)紛紛投入到太赫茲研發(fā)的熱潮中。

    隨著新技術(shù)和新材料的突破，有效太赫茲輻射源和探測器的相繼問世， 太赫茲技術(shù)的研究和應(yīng)用才有了較快發(fā)展， 在醫(yī)療診斷、天文、物體成像、工業(yè)探傷、寬帶移動通信，雷達探測等眾多領(lǐng)域顯示了重大的科學(xué)價值及實用前景。

    近5年來低成本CMOS，新材料太赫茲技術(shù)的突破有望改變太赫茲技術(shù)僅在軍事，航天，高端醫(yī)療領(lǐng)域有較多應(yīng)用的現(xiàn)狀，讓太赫茲技術(shù)進入民用消費級電子市場。

    太赫茲應(yīng)用

    下面筆者就結(jié)合太赫茲波段的電磁信號特點，向大家介紹一下太赫茲技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用。

    （1） 太赫茲輻射是完全非電離的，由于能量較X射線低很多，對絕大部分的生物細(xì)胞無電離傷害，適合對活體生物或組織進行實時檢查。如皮膚燒傷或皮膚癌的早期診斷，口腔疾病診斷，活體DNA鑒別等。

    圖2：太赫茲成像在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用舉例

    （2） 太赫茲頻譜覆蓋了這個有機大分子，包括蛋白質(zhì)在內(nèi)的轉(zhuǎn)動和諧振頻率。許多大分子在太赫茲頻段表現(xiàn)出很強的吸收和諧振，形成具有生物特異性的太赫茲特征譜。另外，碳（C）， 水（H2O），一氧化氮（NO），氮（N2）， 氧（O2）等大量的分子也有各自的太赫茲特征譜。這些特征譜信息對于生物化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)，以及大氣污染和天文探測有著很高的研究價值。

    圖3：UCLA & NASA JPL CMOS太赫茲光譜儀實例

    （3） 安全檢查應(yīng)該說是太赫茲現(xiàn)階段最吸引人的應(yīng)用，它的本質(zhì)是利用太赫茲電磁信號的穿透性和對金屬等特殊材料的強反射特性進行實時快速透視成像，并且在達到成像目的的同時，不需要擔(dān)心X射線的電離傷害。太赫茲電磁信號能以較低的衰減穿透衣物，皮箱，陶瓷，硬紙板，塑料制品非極性材料等；而對于極性物質(zhì)比如水或金屬有強烈的吸收和反射。

    太赫茲的成像解析度雖然比不上X射線，但足夠探測隱藏在衣物、鞋內(nèi)的刀具、槍械等物品。另外結(jié)合太赫茲對物質(zhì)鑒別的特性，能夠區(qū)分身上是否攜帶炸藥或毒品。便攜式的太赫茲安檢儀已經(jīng)處于后期研發(fā)測試階段，有希望在20cm外自動快速檢測危險物品，實時生成高清晰度三維圖像。可以設(shè)想再過幾年，將在在機場火車站安裝大量太赫茲安檢設(shè)備。

    圖4：G20上使用的航天易聯(lián)太赫茲安檢儀

    （4） 無損檢測同樣是利用太赫茲電磁信號對大部分干燥、非金屬、非極性材料有較好的穿透能力，再結(jié)合各種成像技術(shù)，就可以對材料中的缺陷進行詳細(xì)檢測。太赫茲無損檢測廣泛應(yīng)用于航天、雷達材料的檢測。介于太赫茲系統(tǒng)的小型化低成本話的趨勢，近年來越來越多的工業(yè)、民用產(chǎn)品流水線在配合太赫茲成像系統(tǒng)完成快速無損檢測。

    圖5：美國TeraSense流水線太赫茲無損檢測設(shè)備實例

    （5） 大容量、高保密的寬帶近距離通信是太赫茲頻段的又一大應(yīng)用。雖然單就通信距離來看，由于太赫茲在空氣中傳播時很容易被水分所吸收，信號衰減嚴(yán)重，存在著傳輸距離的 “短板” 。但是，在某些情況下，有限的傳輸距離反而能成為優(yōu)勢。因為大氣衰減能使信號根本無法傳播到遠(yuǎn)處的無線電技術(shù)監(jiān)聽設(shè)備，可實現(xiàn)隱蔽安全的近距離通信。而100 GHz ~ 1 THz的超寬帶寬，是太赫茲通信的可用帶寬超過長波、中波、短波、微波 （30 GHz） 總的帶寬的1000倍。由于THz波的頻率比微波更高，波長很短，可以制成方向性很強，尺寸又小的天線，將大大減小發(fā)射功率，并減輕收發(fā)機相互之間的干擾。

    圖6：日本大阪大學(xué)研發(fā)的太赫茲50Gb/s 通信設(shè)備實例

    在剛剛結(jié)束的集成電路的最高級別會議，國際電路會議ISSCC 2017，上來自日本廣島大學(xué)，國家信息通信技術(shù)研究院和松下通信研究院，共同展示了105 Gb/s 300GHz 的CMOS 發(fā)射機，如圖7所示。該太赫茲發(fā)射機的通信帶寬比在2020年商用部署的5G移動通信系統(tǒng)還快了10倍。

    圖7： ISSCC 2017 上展示的超寬帶太赫茲發(fā)射機

    太赫茲研究概況

    2015年太赫茲相關(guān)SCI論文發(fā)文量Top10國家/地區(qū)

    SCI 檢索顯示，2015年內(nèi)已發(fā)表太赫茲文獻1456篇。相關(guān)1300余名科研人員遍及62個國家和地區(qū)，論文量最高的為中國（447篇），其次為美國（308篇），圖7給出了論文量Top10的國家和地區(qū)。  圖8揭示出國內(nèi)外在太赫茲領(lǐng)域論文成果突出的10個科研機構(gòu)，俄羅斯科學(xué)院與中國科學(xué)院近幾年論文量一直不相上下，在2015年SCI論文量最高的為俄羅斯科學(xué)院（88篇），其次為中國科學(xué)院（82篇）。

    中國電子科技大學(xué)近幾年在該領(lǐng)域呈現(xiàn)出蓬勃的發(fā)展趨勢，機構(gòu)論文量排名相繼從2013年的第10位增長到2014年第7位，并在2015年躍至第4位。除中國科學(xué)院、電子科技大學(xué)外，國內(nèi)機構(gòu)中的天津大學(xué)、首都師范大學(xué)均進入論文量排名前10. 總涉及500余個科研機構(gòu)。

  2015年太赫茲相關(guān)SCI論文發(fā)文量Top10機構(gòu) 

    我國太赫茲技術(shù)現(xiàn)狀

    不同于微波毫米波和紅外線領(lǐng)域，在太赫茲方面，我國與國外差距較小。伴隨著材料學(xué)、半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)逐漸擁有了研究太赫茲技術(shù)的基礎(chǔ)條件，科研人員也克服了重重困難，取得了非常可喜的成就。

    單從論文發(fā)表的數(shù)量上，我國已經(jīng)達到世界較為領(lǐng)先的地位，但是從科研到產(chǎn)業(yè)化的速度和能力，與歐美國家還存在較大差距。

    至今除了航天、國防領(lǐng)域以外，太赫茲技術(shù)的大范圍應(yīng)用并沒有如期而至，民用消費行業(yè)內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用似乎仍然遙遙無期。唯有北京航天易聯(lián)科技發(fā)展有限公司的太赫茲安檢系統(tǒng)在G20上的出現(xiàn)讓人眼前一亮。遺憾的是，從測試的具體效果來看，還是和TeraView，Brijiot， ThruVision，TeraSense等歐美公司有較大的差距。

    產(chǎn)業(yè)的投資可以說并不比歐美遜色，科研機構(gòu)幾乎覆蓋了太赫茲領(lǐng)域的方方面面，從基礎(chǔ)材料，單個探測器，發(fā)射器組件，到系統(tǒng)級整合應(yīng)用都有所涉及。同時國內(nèi)的的科研單位和研發(fā)企業(yè)的迅猛發(fā)展，讓太赫茲測試測量領(lǐng)域的美國巨頭VDI（Virginia Diodes，Inc）也感到了壓力，不顧企業(yè)利潤，向國內(nèi)停售了起絕大部分高性能設(shè)備及系統(tǒng)。

    我國太赫茲技術(shù)前景展望

    如何讓先進的科研成果盡快走出象牙塔，轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實的生產(chǎn)力，將成為太赫茲科技工作亟待解決的問題。各方均迫切需要有一個權(quán)威的跨界平臺，將產(chǎn)、學(xué)、研、資聚合起來，共同解決領(lǐng)域內(nèi)所面臨的技術(shù)、產(chǎn)品、市場、標(biāo)準(zhǔn)、資本等問題。在此背景下，我們同樣可以預(yù)期，太赫茲產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟將會適時應(yīng)運而生。

    成立太赫茲產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，將會為研究機構(gòu)、上下游企業(yè)、資本等各方建立起一座溝通的橋梁，協(xié)調(diào)基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究和產(chǎn)品研究之間的關(guān)系和快速轉(zhuǎn)換。基于此，我們有理由相信，我國太赫茲科技領(lǐng)域勢必產(chǎn)生出更多具有自主知識產(chǎn)權(quán)和自有核心技術(shù)的世界一流成果和產(chǎn)品。

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