安保利器：太赫茲的技術(shù)應(yīng)用

文/李青

太赫茲是新一代產(chǎn)業(yè)的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)。太赫茲科學(xué)綜合了電子學(xué)與光子學(xué)的特色，是典型的交叉前沿科學(xué)領(lǐng)域，蘊(yùn)含著原創(chuàng)性重大機(jī)理和方法并亟待突破，具有重大的科學(xué)意義。

太赫茲波具有較強(qiáng)的穿透能力。與可見(jiàn)光、X射線(xiàn)、電子束、中紅外、近紅外和超聲波等廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷、材料分析以及工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的成像信號(hào)源相比，太赫茲波因其在電磁波譜中所處的特殊位置，使其對(duì)很多介電材料和非極性的液體具有良好的穿透性，因此太赫茲波的一個(gè)很有吸引力的前景就是，作為X射線(xiàn)成像和超聲波成像等技術(shù)的補(bǔ)充，用于生物醫(yī)學(xué)成像、安全檢查或者無(wú)損探傷。

電磁波譜最后的“處女”地

太赫茲應(yīng)用面非常廣泛，可以用于生命科學(xué)、材料科學(xué)、天文學(xué)、大氣與環(huán)境監(jiān)測(cè)、通訊、反恐、國(guó)家安全等多個(gè)重要領(lǐng)域。太赫茲無(wú)線(xiàn)通信可以承載更大的信息量，解決目前信息傳輸受制于帶寬的問(wèn)題，是目前所知的滿(mǎn)足大數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸速率通信要求的唯一通信手段。

可以說(shuō)，太赫茲是電磁波譜最后的“處女”地，具有獨(dú)特的優(yōu)越性及極重要的應(yīng)用，是新一代產(chǎn)業(yè)的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)。太赫茲科學(xué)綜合了電子學(xué)與光子學(xué)的特色，是典型的交叉前沿科學(xué)領(lǐng)域，蘊(yùn)含著原創(chuàng)性重大機(jī)理和方法并亟待突破，具有重大的科學(xué)意義。

今年初，科技部公布了“國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃2014年項(xiàng)目清單”。其中，“新型太赫茲源、接收器和其它關(guān)鍵功能器件及其應(yīng)用”項(xiàng)目獲批。這個(gè)項(xiàng)目面向太赫茲安檢和無(wú)損探測(cè)等國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大需求，在已有創(chuàng)新研究的基礎(chǔ)上，探索“電子和光子與太赫茲波段能量耦合轉(zhuǎn)換效率的提高機(jī)理”、“太赫茲波段能量損耗和補(bǔ)償機(jī)理”、“太赫茲器件的微納制備工藝和性能表征技術(shù)”等關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題。

根據(jù)這些關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，該項(xiàng)目將在以下四個(gè)方面開(kāi)展研究：1、基于電子注激發(fā)機(jī)制、光泵浦寬帶可調(diào)諧產(chǎn)生太赫茲技術(shù)、半導(dǎo)體量子級(jí)聯(lián)激光產(chǎn)生高功率太赫茲源的研究；2、高靈敏太赫茲接收器的檢測(cè)、量子噪聲機(jī)理和新器件的研究；3、高速低損耗調(diào)控機(jī)理和高性能關(guān)鍵功能器件研究；4、主動(dòng)式太赫茲高分辨成像系統(tǒng)及其應(yīng)用基礎(chǔ)研究。

這個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)是最終研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高分辨率、快速主動(dòng)太赫茲成像系統(tǒng)，同時(shí)提升中國(guó)太赫茲基礎(chǔ)研究的整體水平，以引領(lǐng)中國(guó)在該領(lǐng)域的研究和發(fā)展，形成高水平的研究隊(duì)伍和研究基地。

其中，太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)是國(guó)際上近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的研究技術(shù)。它利用物質(zhì)對(duì)太赫茲頻帶的不同特征吸收譜，分析研究物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)及其相互作用關(guān)系。通常有機(jī)分子內(nèi)化學(xué)鍵的振動(dòng)吸收頻率主要在普通紅外波段 ,但對(duì)于分子之間弱的相互作用 (如氫鍵)及大分子的骨架振動(dòng)(構(gòu)型彎曲)、偶極子的旋轉(zhuǎn)和震動(dòng)躍遷以及晶體中晶格的低頻振動(dòng)吸收頻率，則對(duì)應(yīng)于太赫茲紅外波段范 圍。

這些振動(dòng)所反映的分子結(jié)構(gòu)及相關(guān)環(huán)境信息，都在太赫茲波段內(nèi)不同吸收位置及吸收強(qiáng)度上有明顯的響應(yīng)，有機(jī)分子的這些光譜特征，使得利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)鑒別化合物結(jié)構(gòu)、構(gòu)型與環(huán)境狀態(tài)成為可能。

太赫茲在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用用日趨頻繁，尤其是工業(yè)企業(yè)里的無(wú)損傷探傷等領(lǐng)域，不過(guò)太赫茲更廣泛的應(yīng)用還需要加強(qiáng)研發(fā)和政府的有力推進(jìn)。

“防暴恐”作用非凡

太赫茲除了在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛外，在“防暴恐”具有非常顯著的作用。在第九屆中國(guó)國(guó)際國(guó)防電子展覽會(huì)上，中國(guó)首臺(tái)太赫茲安檢儀亮相。這臺(tái)技術(shù)可以媲美歐美的“防暴恐”利器，由中國(guó)電科第38所研制，打破了國(guó)外技術(shù)壟斷，填補(bǔ)了中國(guó)太赫茲民用領(lǐng)域的空白，也是航天技術(shù)應(yīng)用于民品的又一典型案例。

那么太赫茲安檢可以做到什么？無(wú)輻射，非接觸，1秒鐘就可以完成人體安檢，這對(duì)于中國(guó)乃至世界防暴恐形勢(shì)愈發(fā)嚴(yán)峻的現(xiàn)下，意義重大。預(yù)計(jì)到2015年，國(guó)產(chǎn)太赫茲人體安檢儀將在中國(guó)機(jī)場(chǎng)、車(chē)站、體育館等公共場(chǎng)所廣泛投用。

據(jù)了解，太赫茲安檢儀掃描一下就能完成整個(gè)人體安檢，人均約1秒，是傳統(tǒng)安檢儀效率的5倍以上。當(dāng)人體所穿衣物中隱藏有物品時(shí)，該區(qū)域輻射出的太赫茲波即被阻攔，并在“快照”中產(chǎn)生與其他身體部位不一致的陰影，從而探知隱藏物品的所在位置。

因此，太赫茲人體安檢儀和傳統(tǒng)人體安檢手段相比具有四大特點(diǎn)：一是更安全，太赫茲安檢儀不同于傳統(tǒng)安檢儀主動(dòng)發(fā)射探測(cè)，采用被動(dòng)探測(cè)發(fā)射，設(shè)備不存在任何的電離或電磁輻射，對(duì)被檢測(cè)人員絕對(duì)安全；二是更可靠，太赫茲安檢儀不僅可以探測(cè)到金屬物質(zhì)，還可以探測(cè)到諸如陶瓷刀具、毒品粉末、液態(tài)炸藥、膠體炸彈等非金屬危險(xiǎn)物質(zhì)；三是更文明，設(shè)備檢測(cè)方式為非接觸式檢查，充分保護(hù)被檢人員個(gè)人隱私；四是更高效，設(shè)備每小時(shí)可檢測(cè)通過(guò)500人，是傳統(tǒng)人工檢測(cè)的5倍。

此前，太赫茲人體安檢儀只有歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家完全掌握核心技術(shù)，并已處于市場(chǎng)壟斷地位。此次研究院技術(shù)團(tuán)隊(duì)用3年時(shí)間，經(jīng)過(guò)強(qiáng)力技術(shù)攻關(guān)，打破了歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)壟斷。目前，國(guó)際上太赫茲技術(shù)還處于研發(fā)階段，若該儀器通過(guò)了市場(chǎng)檢驗(yàn)，其將推動(dòng)中國(guó)安檢領(lǐng)域的科技進(jìn)步，同時(shí)也為中國(guó)的“反暴恐”安全工作提供了強(qiáng)有力的保障。

據(jù)了解，太赫茲是一種波長(zhǎng)介于紅外線(xiàn)與微波之間的電磁波，具有很強(qiáng)的穿透性，可以由人體產(chǎn)生并向外輻射。在城市及反恐作戰(zhàn)中，借助太赫茲特有的“穿墻術(shù)”，可以對(duì)“墻后”物體進(jìn)行三維立體成像，探測(cè)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。

另外，太赫茲成像技術(shù)在塑料兇器、陶瓷手槍、塑膠炸彈、流體炸藥和人體炸彈的檢測(cè)和識(shí)別上，更是“明察秋毫”。與耗資較高、作用距離較短、無(wú)法識(shí)別具體爆炸物的X射線(xiàn)掃描儀相比，太赫茲成像具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)初步應(yīng)用于檢查郵件、識(shí)別炸藥及無(wú)損探傷等安全領(lǐng)域。

經(jīng)過(guò)不懈的努力，中國(guó)力量已經(jīng)在太赫茲科學(xué)技術(shù)這一“真空地帶”有所建樹(shù)，并將在這場(chǎng)世界科技競(jìng)賽中獲得屬于中國(guó)自己的主動(dòng)權(quán)。

（作者系科技媒體人）