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我國試點太赫茲安檢系統，太赫茲技術應用成熱點

來源：中國產業經濟信息網時間：2018-12-17

　　導讀：太赫茲波段自從19世紀后期正式命名之后，收到歐美日中等多個國家的高度關注，各國紛紛將其入選改變世界的技術評比之中。尤其是中國，在當中的研究甚至超越了美日，名列世界前茅。本文詳細介紹了太赫茲技術的前世今生。

　　“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，太赫茲波段兩側的紅外和微波技術已經相對成熟。

　　從19世紀后期太赫茲波段正式命名之后，涉及太赫茲波段的研究結果和數據卻非常稀少，在此頻段上，既不完全適合用光學理論來處理，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評為 “改變未來世界的十大技術” 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力量，進行太赫茲組件及系統的研發。2005年，日本政府更是將太赫茲技術列為 “國家支柱十大重點戰略技術” 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的發展藍圖。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。另外歐洲，澳大利亞，日韓，臺灣等許多國家和地區政府、研究機構、大學和企業紛紛投入到太赫茲研發的熱潮中。

　　隨著新技術和新材料的突破，有效太赫茲輻射源和探測器的相繼問世，太赫茲技術的研究和應用才有了較快發展，在醫療、天文、物體成像、工業探傷、寬帶移動通信，雷達探測等眾多領域顯示了重大的科學價值及實用前景。

　　近5年來低成本CMOS，新材料太赫茲技術的突破有望改變太赫茲技術僅在軍事，航天，高端醫療領域有較多應用的現狀，讓太赫茲技術進入民用消費級電子市場。

　　太赫茲應用

　　下面筆者就結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的相關應用。

　　(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：太赫茲成像在醫療領域的應用舉例

　　(2) 太赫茲頻譜覆蓋了這個有機大分子，包括蛋白質在內的轉動和諧振頻率。許多大分子在太赫茲頻段表現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物質結構，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) 安全檢查應該說是太赫茲現階段最吸引人的應用，它的本質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、鞋內的刀具、槍械等物品。另外結合太赫茲對物質鑒別的特性，能夠區分身上是否攜帶炸藥或毒品。便攜式的太赫茲安檢儀已經處于后期研發測試階段，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。可以設想再過幾年，將在在機場火車站安裝大量太赫茲安檢設備。

　　圖4：廣州地鐵站使用的第二代太赫茲安檢儀

　　(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，再結合各種成像技術，就可以對材料中的缺陷進行詳細檢測。太赫茲無損檢測廣泛應用于航天、雷達材料的檢測。介于太赫茲系統的小型化低成本話的趨勢，近年來越來越多的工業、民用產品流水線在配合太赫茲成像系統完成快速無損檢測。

　　圖5：美國TeraSense流水線太赫茲無損檢測設備實例

　　(5) 由于太赫茲在空氣中傳播時很容易被水分所吸收，科學家發現將與人體生物谷頻率實現共振的176Gb/s 太赫茲芯片植入的能量引用到人體生物電場,利用人體中大量的水分子頻率共振原理,與人體生物電發生和諧共振,協調人體內的電流平衡,產生高達每秒上億次的高頻震動波,該高頻震動波人體無法感受到,但可以抖落剝離徹循環內壁的脂質斑塊、毒垢、血栓,迅速改善微循環(打通經絡,通則不痛),達到加快微循環流暈和流速,使得身體所有細胞有充足的氧氣,養分供應,毒素得以排除體外,恢復人體的自我療愈功能。

　　圖6：美國ALPHATAO研發的太赫茲176.87Gb/s 太赫茲生物共振原理圖

　　太赫茲研究概況

　　圖 7： 2015年太赫茲相關SCI論文發文量Top10國家/地區

　　SCI 檢索顯示，2015年內已發表太赫茲文獻1456篇。相關1300余名科研人員遍及62個國家和地區，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。圖8揭示出國內外在太赫茲領域論文成果突出的10個科研機構，俄羅斯科學院與中國科學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院(88篇)，其次為中國科學院(82篇)。

　　我國太赫茲技術現狀

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

　　單從論文發表的數量上，我國已經達到世界較為領先的地位，但是從科研到產業化的速度和能力，與歐美國家還存在較大差距。至今除了航天、國防領域以外，太赫茲技術的大范圍應用并沒有如期而至，民用消費行業內大規模應用似乎并非遙遙無期。目前國內現有的產品，從測試的具體效果來看，還是和TeraView，Alphatao, ThruVision，TeraSense等歐美公司有較大的差距。