太赫兹：又一场“前沿革命” ——该技术“空白领域”渐成热门，将极大地改变人类生活

发布时间：06年10月27日

江世亮邱德青王禹

9月18日，包括诺贝尔奖得主在内的500多位国内外红外、太赫兹及其毫米波领域的知名专家将聚会上海，参加由中科院上海技术物理研究所、东南大学、上海市对外文协等单位主办的IRMMW-THz2006红外、毫米波与太赫兹电子学国际会议。

太赫兹波在电磁波谱中占有一个很特殊的位置，它正好处于科学技术发展相对较好的红外和毫米波之间，但由于太赫兹波源问题一直未能得到很好的解决，因此形成了一个在研究上相对落后的“空白”。那么，太赫兹波和老百姓的生活究竟有什么关系？它会给我们的日常生活带来哪些新的变化元素？在此次国际会议召开前夕，记者采访了该领域的资深专家，请他们为读者解疑释惑。

受访专家

沈学础：中科院院士、中科院上海技物所研究员

陆卫：中科院上海技物所红外物理国家重点实验室主任、研究员

尹球：中科院上海技物所第二研究室研究员

曹俊诚：中科院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室主任、研究员

数字地球：内容更翔实

尹球：“数字地球”的概念最早是美国前副总统戈尔提出来的，作为一个重大科技发展战略，在世界各国得到热烈响应，出现了数字地球、数字中国、数字区域、数字城市等提法。数字地球实际上就是通过不同系列的卫星，获取和管理不同地方的环境资源等地球信息，而且要让这些不同地方的信息互通起来，这样才能更好地为大家服务。

我们做遥感的，首先是获取与环境、自然、灾害有关的信息。但是真正要发挥作用还少不了人文、经济等方面的信息，譬如环境的好坏跟人是密切相关的，人的行为会影响环境，同时人也是环境的消费者，如果没有人、没有人去生活，环境好坏多少有点无所谓。很多老百姓关心的不是原始数据如何，而是关心这个数据如何变成我要的信息。接下来希望知道怎么来用这个信息。

以前对数字地球的理解，大都局限在把地理上一些最基本的东西展现在地图上，用计算机管理起来。但是这实际上提供的信息很少，只有路名、方向等。现在要求信息更丰富，更生动，使用更方便。不仅要有平面的信息，而且希望知晓三维空间的信息，包括空气污染、大气中的成分、地下有什么矿藏等。这在技术上已有可能做到。举个例子，如果地下有石油和矿藏，那么它对土壤植被的特性会产生一些影响，这样就会影响红外辐射，通过红外遥感的手段就可以知道地下的东西。

现在红外遥感的发展能检测到很多环境信息。如有些企业利用晚上执法部门疏于管理的时段排污，以为无人知晓。通过红外遥感，晚上照样可以检测污染的排放，因为排出来的污水和周围水体辐射的波长是不一样的。再如海洋赤潮和海洋污染的监测，检测船去是一个点一个点测，很难掌握整个赤潮和污染发生的情况，遥感手段更有助于了解面上的发生发展情况。包括台风在内的环境灾害，都可通过红外遥感的手段捕捉信息。从遥感图上不光能看到某一区域有无污染，还能看到其中的污染到底是什么成份，浓度如何。

譬如现在大家都在讲城市热岛效应。城市热岛到底怎么样，通过红外就可以知道哪个地方确实温度高，白天、晚上的变化怎么样。这方面还有一个很有意思的发现：以前都说绿化降温，实际上这是对夏天而言的。而在冬天，绿化实际上起到某种保暖的作用。另外，同样是绿化，乔木、灌木、草坪的效果就大不一样。这些信息都能通过红外遥感获取。

使用红外和太赫兹遥感手段, 能检测到很多有关空气状况、水体污染、地下资源等的环境信息

陆卫：数字地球不光是一个地理信息概念，实际上也是人文等多方面信息的综合，如怎样利用它来治理环境，譬如能不能大面积地看什么地方有严重的空气污染，通常泄漏出来对人体非常有害的气体只有几种，它们有着特殊的“指纹”谱。这种“指纹”谱都可以标识，通常最有效的途径就是用光谱来标识。因为凡是物质都会发生运动，即使在外观上看起来静止的物体，其内部的分子也在剧烈地振动。一有运动(振动)，就有辐射，而辐射出来的电磁波有自身的频率，或者说波长，这个波长就是“指纹”谱。不同分子的“指纹”对应着一组不同波长电磁波辐射的组合，这些波长基本都在红外波段和太赫兹波段，所以，通过红外探测技术进行监测，就能知道究竟是什么气体了。有些分子的辐射量太小，红外探测不到，这就需要研制太赫兹和红外波段的固态激光器，将它们调整到那个分子的振动波长，就能准确地进行探测了。

热核反应：能源革命更彻底

沈学础：这次会议有两个报告跟能源直接有关。从科技层面来思考能源，最现实并且能真正解决问题的方法是热核反应，就是把2个氢原子核结合成1个氦原子核，同时放出能量。这实际上就是氢的同位素氘-氚的聚变反应。我们知道，太阳发热、发光的过程实际上就是聚变的过程。现在的问题是：要控制这个聚变反应让它慢慢进行，不能像氢弹爆炸那样，一下子全释放出来。如果这个问题解决了，那么大家担心的能源问题就可能得到真正的解决。这也是科学家最大的理想。

现在世界上有一个最大的计划——国际核聚变反应堆计划(International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER)，这个要耗资100亿欧元的计划旨在建造一个实验性的聚变反应堆，试验希望达到的结果是使聚变过程在可控状态下在一个预定的循环通道里慢慢地发生。

实现这两个目标的最大挑战之一，在于需要不断地对整个系统加热，使之达到上亿度的高温。现在加热靠什么呢？就是靠太赫兹波，为此要建造很大功率的太赫兹波发生器。怎样建造一个效率高、功率大、稳定的毫米波发生器来实施ITER计划可控的热核反应，将是本次会议的一个重要议题。

现在估计，起码要到2040年才可能实现核聚变的商业化运用。目前这一计划是以德国为首，包括瑞士、法国、英国等几个国家在做。我们国家已参与该计划。参与这一计划除了要付相应的经费，更重要的是首先要有相应的科学家队伍，要能提出课题来参与竞争。这些都取决于一国的科学技术实力。

本次会议邀请了德国科学家代表ITER计划群体来做报告，介绍太赫兹波加热及其功率源等，以及ITER计划实施的相关情况，已经做到什么程度，还有什么问题要解决。希望这方面的内容能引起更多的关注。

洞察宇宙：眼界更深远

沈学础：我再结合太赫兹技术讲一点在天文方面的应用。天上到底有什么、宇宙到底是怎么样的？以往我们接受到的哲学观点认为宇宙是无限的，宇宙的过去和未来都是无限的，就像时间一样。这些观点是基于以前的科学基础，现在的科学基础对于这个问题的回答是不一样的。现在的科学基础认为，现今的宇宙是在150亿年以前，通过一次大爆炸引起的，爆炸了以后在不断地扩张，宇宙的历史有150亿年。宇宙之外是不是还有另外一个宇宙呢？不知道。现在人们希望把过去的宇宙演化史弄清楚。这也是宇宙观、世界观得以建立的基础。

人类看天也是一样的，先是用眼睛看，我们能看到天上很亮的星星，这在中国历史记载里面已经有700年的历史。然后是17世纪意大利科学家伽利略发明了望远镜，这样很暗的星星也可以看到。望远镜一直使用到20世纪五六十年代。随着红外、毫米波、太赫兹技术的发展，人类看天的手段大大扩充了，有了红外望远镜、哈勃望远镜，太赫兹望远镜等。这次大会上将有一位著名的美籍华裔科学家作报告，揭示利用包括太赫兹在内的从微波到红外波段看到的天体到底是怎么回事，到底可以看多远。随着人类这种“看”的本领的不断提升，我们能了解宇宙更久远的历史。

迄今为止，人类还没有造出一个能跟人的眼睛的灵敏度相媲美的探测器。人们要看最远的距离，还得借助望远镜，但不是架在地球上的望远镜，而是放在航天飞机和空间站里的望远镜。以前我们只能看到红外和紫外光之间450~750纳米波段的东西，但现在我们的视野大大扩充了，能看到红外、太赫兹、毫米波等波长更长的整个范围。在宇宙空间，不发光的天体比发光的天体要多几百万倍。利用红外、太赫兹和毫米波，将令我们的眼睛更亮，看到以前所看不到的东西。

信息传输：容量更大更安全

曹俊诚：我来简单介绍一下太赫兹波。我们会议的名称叫作红外、毫米波与太赫兹电子学国际会议。太赫兹波段是介于毫米波和红外波之间的相当宽范围的电磁辐射区域，太赫兹波又被称为T-射线，它在物理学、材料科学、医学成像、射电天文、宽带和保密通信，尤其是卫星间通讯方面具有重大的应用前景。但长期以来由于缺乏有效的太赫兹辐射产生和检测方法，导致太赫兹频段的电磁波未得到充分的研究和应用，被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙”。

用太赫兹波成像, 可清晰地看到藏在报纸内的匕首, 有助于提升反恐安检水平

太赫兹波段也叫亚毫米波。实际上天文学是最早使用这个波段的。因为天体辐射到地球的电磁波大部分处于亚毫米波短，也就是太赫兹波段。如果能探测这个波就能很好地探测到天体。另外一方面，太赫兹波在太空环境中吸收比较少，可以传播很远的距离。

在成像方面，我们知道各个波段的电磁波都能用于成像，X射线可以成像，毫米波可以成像，红外可以成像，太赫兹波也可以成像。当然各个波段成像有各自的特点。与X射线成像相比，太赫兹波成像的显著优点是对生物体的辐射损害很小，因为太赫兹波的光子能量是X射线光子能量的百万分之一。

另外，太赫兹波还可以作为一种传输信息的载体，可以把声频或视频的信号加入到太赫兹波当中传输，由于太赫兹波的带宽宽，定向性好，所以相对来说，太赫兹波的传输信息容量更大，传输更安全。

反恐利器：目光更敏锐

陆卫：相对红外而言，太赫兹波的波长更长，它对物体的渗透性就更强了。像我们的衣服、我们的手提箱等，红外光和可见光穿透不过去，太赫兹波可以穿透过去。这也是它在未来可能会被更多用到安全性检测领域的原因。现在我们通常经历的机场的行李安检都是X光检测，能做到一目了然。但这个有效的方法不能用在人体的安检上，因为如果每次上飞机都要被X光照一次(相当于拍一个胸片)，今天拍完以后明天再拍，这对人体是有伤害的。如果能够把X光换成太赫兹光，不光对人体无害，你带了什么东西也能看得一清二楚。不管你把东西藏在什么地方，都能在瞬间显形。

这方面的技术应用显然是非常重要的。2003年美国“哥伦比亚”号航天飞机失事后，科学家们受命参与事故分析。他们从美国航空航天局提供的一块材料着手，利用太赫兹技术做这个检测。材料里有90多个缺陷是对安全有害的，他们检测出了大部分缺陷，漏检率只有百分之几，这是目前其他方法做不到的。

尽管太赫兹不能代替X光，但它优于X光。X光和超声波能发现物体的轮廓和状态，但却无法探测物体的化学性质，无法分辨究竟是爆炸物还是药品。然而太赫兹却有这种本领，对目前人类发明的上百种爆炸物和地雷，太赫兹已能识别出其中的50多种。最新的进展是在30米左右，太赫兹就能准确地发现爆炸物品。这对国际上的反恐斗争具有特别重要的意义。据专家估计，在未来3年至5年内，太赫兹技术应用最广泛的领域首属安检和反恐。

利用太赫兹波，甚至能了解植物叶片里面的水分，这个树叶里面水分含量多少，不同时间段去拍，水分含量是不一样的。据介绍，大概是清晨6点左右，就是太阳快要升起的时候，植物便开始吸收水分，以后反而吸水少了。这样看来，我国农民日出即作的作息是十分科学的。他们在长期的经验积累中懂得，灌溉作物要选择日出前后，过了这个时辰再灌都是白灌，作物不吸收了。而现在通过太赫兹波，能真切地看到，植物根茎水分状态的变化。当然太赫兹技术以及利用这一技术形成的各种探测器的应用范围将非常广泛。这次会议对于太赫兹无论是原理也好还是探测器也好，都将起到很大的推动作用。

[江世亮、邱德青、王禹采访整理]

名词解释

什么是太赫兹

太赫兹波是指频率在0.1～10 THz(波长为3000～30微米)范围内的电磁波。它在长波段与毫米波重合，而在短波段与红外线重合。

目前，国际上对太赫兹辐射已达成了如下共识，即太赫兹是一种新的、有很多独特优点的辐射源；太赫兹技术是一个非常重要的前沿交叉领域，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。