THz：基础知识

一、简介

太赫兹（Tera Hertz，THz）是波动频率单位之一，又称为太赫，或太拉赫兹。等于1,000,000,000,000Hz（10的12次方），通常用于表示电磁波频率。

太赫兹是一种新的、有很多独特优点的辐射源；太赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿领域，给技术创新、国民经济发展和国家安全提供了一个非常诱人的机遇可能引发科学技术的革命性发展。

二、定义

太赫兹(THz)波是指频率在0.1~10 THz(波长为3000～30μm)范围内的电磁波，在长波段与毫米波相重合，在短波段与红外光相重合，是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，也是电子学向光子学的过渡区，称为电磁波谱的“太赫兹空隙(THz gap)”。

太赫兹(THz)波的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；利用该频段可以加深和拓展人类对物理学、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。THz技术可广泛应用于雷达、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，THz研究对国民经济和国家安全有重大的应用价值。

三、特点

1、量子能量和黑体温度很低
2、许多生物大分子的振动和旋转频率都处于THz波段，所以利用THz波可以获得丰富的生物及其材料信息。
3、THz辐射能以很小的衰减穿透如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等物质。
4、THz的时域频谱信噪比很高，使THz非常适用于成像应用。
5、瞬时带宽很宽(0.1～10THz)，利于高速通信，如下图所示。

四、应用

太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术由此构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。同时，由于太赫兹能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以与X射线相比更具有优势。

1、THz时域光谱技术：
目前已经开始商业化运作，世界范围内已经有多家企业开始生产商用THz时域光谱仪，主要是中国，美国，欧洲和日本的厂家。THz时域光谱技术的基本原理是利用飞秒脉冲产生并探测时间分辨的THz电场，通过傅立叶变换获得被测物品的光谱信息，由于大分子的振动和转动能级大多在THz波段，而大分子，特别是生物和化学大分子是具有本身物性的物质集团，进而可以通过特征频率对物质结构、物性进行分析和鉴定。一个比较重要的应用可以作为药品质量监管。设想一下制药厂的流水线上安装一台THz时域光谱仪，从药厂出厂的每一片药都进行光谱测量，并与标准的药物进行光谱对比，合格的将进入下一个环节，否则在流水线上将劣质药片清除掉，避免不同药片或不同批次药片的品质差异，保证药品的品质。

2、THz成像技术
跟其他波段的成像技术一样，THz成像技术也是利用THz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。THz成像技术可以分为脉冲和连续两种方式。前者具有THz时域光谱技术的特点。同时它可以对物质集团进行功能成像，获得物质内部的折射率分布。例如葵花籽可以和容易获得葵花子的内部信息。图3-4 给出了葵花籽样品的实物照片和相应方法重构的THz 透射图像，能清晰地分辨果壳的轮廓和隐藏在果壳中果仁的形状，这是最希望的。同样，如果样品是人的牙齿，那么牙齿的正常部分与损蛀部分将很容易的区分开，同时不必照射x射线，对人体没有附加伤害。

3、通信技术
THz用于通信可以获得10GB/s的无线传输速度，特别是卫星通信，由于在外太空，近似真空的状态下，不用考虑水分的影响，这比当前的超宽带技术快几百至一千多倍。这就使得THz通信可以以极高的带宽进行高保密卫星通信。虽然由于缺乏高效的THz发射天线和源，使其还无法在通信领域商业化，但这必将由新型的发射装置和发射源所解决。

五、前景

太赫兹的独特性能给通信（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）等领域带来了深远的影响。由于太赫兹的频率很高，所以其空间分辨率也很高；又由于它的脉冲很短（皮秒量级）所以具有很高的时间分辨率。

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从上图中可以看出，太赫兹波介于无线电波和光学波之间，这在一定程度上赋予了它和其余电磁波不同的特性——兼具微波通信以及光波通信的优点，即传输速率高、容量大、方向性强、安全性高及穿透性强等。

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研究太赫兹难在哪？

技术不成熟是太赫兹无法大面积使用的根本原因，在这一频段上，既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合微波的理论来研究；第二点就是，太赫兹测试与测量仪器设备也因为技术门槛过高而导致发展停滞不前。

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从空间分辨率的角度来看，太赫兹比传统的微波、毫米波的波长要短，所以用太赫兹进行成像空间分辨率高；从穿透能力来看，它比红外和可见光的波长要长，所以穿透能力强；在安全性方面也好于X射线。显然，太赫兹是蕴含众多独特优点的电磁频段。

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被动式太赫兹安检没有产生可以测量到的辐射，因为它利用的是人体自身发出的太赫兹波，而并不对人体进行电磁波照射；

人体本身就会发射太赫兹波，当人体携带物品时，物品本身对太赫兹波有不同程度的吸收和阻拦，经设备接收并计算转化后，使得太赫兹成像中对应物品与人体背景之间产生强度的对比，物品的形状和位置也就得到了探知，实现对违禁品的安检。

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物联网时代的“火眼金睛”

5G时代会实现更快更低时延更高网络容量的通信，那么6G的目标是实现万物互联。仅从流畅度和传输速度上来讲，6G有望达到5G的10倍甚至百倍。

从6G白皮书以及各国提出的下一代通信解决方案来看，都把一项技术作为了突破口——太赫兹。

各国争相进行布局的6G时代，其实就是“太赫兹时代”，太赫兹通信兼具微波通信和光波通信的优点，其频率比目前使用的微波要高1—4个数量级，能提供10Gbit/s以上乃至100Gbit/s的无线传输速率，能解决信息传输受制于带宽的问题，是目前所知的满足大数据无线传输速率通信要求的唯一通信手段。

太赫兹通信应用场景分为三个方面：

一是无线接入、光纤替代场景。“未来太赫兹峰值速率可能达到Tbps以上，适合超高速无线通信，光纤难接入或接入成本过高带来的通信问题可迎刃而解；

二是星间通信、空天地一体化通信。太赫兹波在外层空间中可做到无损传输，在极低功率的条件下就可实现超远距离传输，实现星间通信。太赫兹波进入大气层后，由于大气折射、吸收、降雨、雨雾和大气噪声的影响，地面无法监听信号。由于太赫兹波长较短，天线系统可以实现小型化、平面化，搭载于卫星、无人机、飞艇等平台，以此作为无线中继设备，穿透通信黑障，实现空天地一体化通信。

三是微小尺度通信、万物互联。基于太赫兹波长极短的特点实现毫微尺寸太赫兹收发信机与天线，可以进行片上通信、可穿戴或植入太赫兹设备、微型电子设备间通讯，在极短距离范围内实现超高速数据链应用。可用于从宏观到微观尺度的万物互联。

也就是说，当人类迈入“太赫兹时代”后，真正的万物互联就来了！

5G是“物联网”的初始时期。虽然媒体们早早就提出了“万物互联”的概念。但5G技术所能提供的连接数大约是100万个连接/平方公里——在人口稠密的大城市，这个量级的连接数还是不够的。真正能做到将每一个灯泡和遥控汽车都连入互联网，恐怕还要等网络容量更大的“太赫兹时代”来临才行。

应该说，太赫兹技术其实就是一种超高级的感知能力，而物联网获得突破的关键之一就是感知能力，这种非接触深度感知技术，就是物联网的“火眼金睛”。