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“优美”太赫兹:空白远未填充
发布时间:2020-04-20 21:06:28 阅读:277

来源:解放军报

    ●它是迄今为止人类开发最少的波段,曾一度被人遗忘

    ●它卓尔不群,被誉为“改变未来世界的十大技术之一”

    ●它是“第五维战场”的拓展者,在军事应用上潜力巨大

    在抗击新冠肺炎疫情期间,一种基于太赫兹人体安检仪改造开发而成的“全过程无接触测温安检一体机”,在上海等地投入使用,成为防控疫情的新装备。“太赫兹”这个带有几分神秘色彩的物理学名词,也再次引起人们的关注。

    “寻常看不见,偶尔露峥嵘。”近年来,太赫兹只要一亮相,就会引来各类科技类报刊、网站的争相报道,其多项技术应用的吸睛能力堪比“网红”。那么,它到底有着怎样的“高贵”身份和诱人的应用前景呢?

    太赫兹空白,一道高难度“填空题”

    在物理学中,光是一种电磁波。但电磁波是各不相同的,差异就在于电磁振荡的频率。太赫兹,这个听上去颇有些“高大上”的名字,具体指的是一个波动频率单位,泛指频率在0.1~10太赫兹波段内的电磁波。

    然而,看似平常一段“波”,太赫兹却与众不同。从频率上看,它处于射频的高频端(毫米波)和光学的低频端(远红外)之间,高于毫米波而低于红外线;从能量上看,其大小则在电子和光子之间。

    这一频段是光波与射频电磁波相互过渡、相互融合的区间。太赫兹的独特之处就体现于此。从物理学上讲,太赫兹处于由宏观经典理论向微观量子理论、电子学向光子学过渡的交叉区域,它既不完全适合用光学理论来看待,也不完全适合用微波理论来研究。

    正是由于“不前不后”的特殊频段和“高不成低不就”特殊性质,使得太赫兹辐射的产生和检测都非常困难,让人“找不着”“摸不透”。20多年前,太赫兹波一度被人“遗忘”,以至于留下了一片后人称之的“太赫兹空白”。它犹如一道难度系数极高的“填空题”,让物理学家发出了“想说爱你不容易”的感慨。

    纵观物理学发展史,可以发现处于太赫兹两侧的红外和微波技术,早在上世纪80年代就已发展成熟并获得广泛应用。唯有对太赫兹,人类却知之不多,成了迄今为止了解最少、开发最少的一个波段。

    波段卓尔不群,优势独特很诱人

    相比其他电磁波,太赫兹确实有些“高冷”,让人感到有些“生分”,甚至一度被遗忘,但“我就在那儿”,也并不缺乏“追求者”。因为,太赫兹有着卓尔不群的波段,其独特优势无时不刻在闪耀着科学的光芒。

    对于太赫兹的“优美”,物理学家的探索和认识在逐步深入。它有机融合了光学和射频的优势:太赫兹对许多介电材料均有较好的穿透性,能以很小的衰减穿透诸如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等物质;太赫兹的光子能量很小,远低于X光等传统透视探测光,不会造成被探测物的破坏;太赫兹波极高的频率使得时间分辨率显著提高,从而具备更强的时间和空间调制和分辨能力。此外,太赫兹对应的波长,正处于微观世界与宏观世界的结合过渡区域,许多极性分子和生物大分子,在这一频段都具有“指纹”特性的独特光谱结构,由此可以获得丰富的生物及其材料信息。

    这些独特优势,使太赫兹拥有极为广阔的应用前景:利用太赫兹相关技术,可以加深对物理学、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,推进太赫兹在生物医学、航空航天、天文探测等领域的应用。比如,我们前面提到的安检应用,运用太赫兹成像技术,可以穿透遮挡物,非接触地对人体进行高分辨率成像,并结合光谱信息识别违禁物品,且对人体几乎没有电离损伤。

    进入新世纪,随着材料科学、精密加工等相关领域技术的快速发展,太赫兹波的发射、调制和检测已由“不可能”变为“可能”,国际科学界将其视为“改变未来世界的十大技术之一”,许多国家纷纷加大对太赫兹技术的研究与应用力度。

    从近几年的科技新闻中,不时有太赫兹的“身影”。如去年4月,事件视界望远镜合作组织发布的人类首张黑洞照片,就融合了多台太赫兹望远镜的观测数据;去年8月,我国气象局对超强台风“利奇马”的及时预警,就有太赫兹大气遥感卫星的贡献。

    军事应用,拓展“第五维战场空间”

    随着科学技术进步,对于太赫兹的空白,科学家们越来越有信心去填充了。虽任重而道远,但毕竟已经起跑并正在加速。

    历史上,很多技术突破往往最先应用于军事。姗姗来迟的太赫兹,在军事领域有着广阔的应用前景,特别是现代战争已从陆、海、空、天拓展到第五维电磁空间,它理所当然地成为了夺取电磁空间、谋取军事竞争优势的关键技术,担当起拓展“第五维战场空间”的角色。在目标探测、保密通信、战场感知、精确制导和安全检测等方面有望带来突破性变革,特别是在以下3个方面将大显身手:

    高速率保密通信。太赫兹通信同时兼容了微波通信和光通信的优点。太赫兹波具有更高的载频和带宽,通信传输速率高、容量大,可以实现比5G通信高100倍的数据传输率和微秒级的网络延迟,能为未来信息化作战提供高速、海量的数据支撑。太赫兹波在大气中传输的局域性强、方向性高、穿透性好,因此太赫兹通信难以被远距离侦察监听,可用于战场环境下定向、高速率的保密通信。

    高分辨率成像目标探测。太赫兹雷达作为一种先进探测技术,目前在国际上掀起了一股研究热潮,其可行性已通过实验验证。利用太赫兹波优异的空间和时间分辨能力,能提供更加丰富的目标信息,实现对目标的高分辨率成像,还可对动态目标进行高精度的微动参数估计,为目标准确分类、识别提供重要依据;太赫兹雷达的工作频率远超当前隐身技术所覆盖的频率范围,而其较短的波长甚至可与目标表面的粗糙起伏等细微结构相互作用,因此,不论是形状隐身、涂料隐身,还是等离子体隐身,在太赫兹雷达探测下都有可能“露出马脚”。

    战场感知与探测成像。利用太赫兹波的强穿透性和对空间的高度敏感性,可用于局部战场环境感知,甚至对局部环境中的生物特征(呼吸、心跳)和环境特征(障碍、陷阱)等进行探测,还能穿透伪装和一些墙体,对隐蔽者进行三维立体成像,如探测隐蔽的武器、伪装埋伏的武装人员和显示沙尘或烟雾中的坦克、火炮等装备,远距离探测地雷等。

    作者:本报记者 王握文 通讯员 王小丹

 
 

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