散文精选网太赫兹技术
有一种电磁波
知道的人寥寥无几
但全世界科学家都认为
它将开启新的科技前沿革命
早在2004年
美国政府就把它评为
改变未来世界的十大技术之一
这个叫做“太赫兹”的神秘波段
为何如此吸引
全球科学家的目光？
太赫兹究竟是什么？
它又将为我们的生活
带来哪些真实的改变？
太赫兹研究专家陈志豪，做客《世纪大讲堂》，带您领略太赫兹技术的奥秘。
主持人：田桐 主讲人：陈志豪
陈志豪，香港城市大学教授，主要研究电磁学和太赫兹科学，是毫米波国家重点实验室的领头人。 他致力于将科研与实际应用接轨，他的团队与全球专家合作，共同研发太赫兹系统及技术，促进生物医学成像，检测食品安全，以及推进太赫兹在通信领域的发展。
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今天我们谈的这个话题，可能大多数人都没听说过，它比引力波离我们还要遥远。那么，我先用简短的语言给大家说一下，这究竟是一个什么技术。太赫兹其实就是电磁波的一种。比如说大家对手机，对微波炉都很熟悉，这个太赫兹的频率就是我们一般手机的几百倍，所以它的频率很高，波长很短，所以它有很特别的功能。比如说，因为它的光能比较小，所以相对于X光，它的能量就很小，只有X光的几万到几十万分之一的能量，所以对人体的安全是没有伤害的，它不会把我们的分子分解。所以就比较安全，在安检方面是非常有效的。
大家可能对食品安全问题比较关心，在香港大学，很多时候会有学生来做访问学者。10多年前，他们就经常问我们去哪里买奶粉，可能他们相信在香港买的奶粉就比较安全。再比如说，在2011年，台湾有在食品和饮品中添加塑化剂的情况出现，其实除了香港，这种情况在国外也有。还有比较严重的一次，就是在2014年的时候，香港一些厂商把一些非食用动物油换去台湾，台湾的公司呢就把它变成可食用的油，当然这个已经被污染了，然后这些油就被卖往台湾和香港的食品公司，用于食品制作。包括香港有一个很著名很地道的一个美食，叫菠萝包，但也是因为油的成分不安全，就被下架了，停止售卖了。所以这个食品安全，是很严重地影响的我们生活的。而今天我为大家介绍的这个太赫兹，一个电磁波，这个技术就正可以在食品安全方面发挥作用。接下来，我将为大家详细讲解改变未来的太赫兹技术。
什么是太赫兹？
太赫兹，其实是一种电磁波。微波和红外光都是电磁波，微波，就比如微波炉，光，就比如红外光遥控器。但是太赫兹这一部分这个频率，我们用的比较少。那太赫兹的应用就与它的特性有关。它的特性，打个比方，一个石头掉进水里，会使水面产生高高低低的波浪。我们知道一个波峰到另外一个波峰的距离就是波长，而一秒钟内这样的波的数量，就是频率，频率的单位就是“赫兹”。我们生活中一般的无线电波和手机，就有1000个千赫，也就是我们说的一兆赫，10的6次方赫兹。而10的12次方赫兹，即1万亿赫兹，就是太赫兹（Terahertz）。
太赫兹技术有哪些神奇的用途？
1.用于检测食品安全
今天的太赫兹技术可以检测出食品中的安全隐患。
这张图就是我们把葡萄籽油和猪油通过我们的仪器，看到的葡萄籽油和猪油对太赫兹的吸收程度的曲线。你可以看到在0.5 太赫兹以下，两条线是重叠在一起的，而在0.5个太赫兹以上，两条线就分开了，所以我们是可以通过太赫兹技术分辨两种不同的油。
而在在没有用到太赫兹的情况之前，我们怎么去看不同的测试的样本呢？首先，我们要先把这些化学物浓缩，再通过一些仪器，一种叫气相色谱仪，另外一个是液相色谱仪。然后我们就可以通过它的频谱，把它们分辨出来，但花费的时间比较长，需要半天甚至一天的时间，才能把这些化学物质分辨出来。所以这一利用太赫兹技术的方法，相比于之前使用气相色谱仪和液相色谱仪来分辨要更节约时间。
通过频谱仪，我们可以把激光穿到一个太赫兹产生器里，把它转换成太赫兹的波，然后通过一个反射的镜在测试的样本里面集中一个焦点，然后通过另外一个镜面将其再反射回这个检测器里。但这个仪器比较大，如果去一个餐馆吃饭，我们想要看它的油是不是地沟油，我们不可能把这么大的仪器拿去跟我们一同吃饭，对不对？所以我们以后的研究方向就是要通过把里面的马达小型化来把这个仪器变成一个很小很小的仪器，这还是要用到其他的技术的。
2.用于检测药品污染物
太赫兹技术还可以应用于农药方面的检查。这里有一张不同的图，比如说有西红柿，还有卷心菜，草莓，菠菜，它们对于太赫兹都有不同的吸收率，所以通过这个频谱，我们就可以知道我们要探测的是什么东西。这些频谱是我们一些基本上没有农药的食物的样本。
另外，再看下面一张图片，我们做了不同的东西，两种不同的农药。蓝色跟红色，就是两种不同的农药。可以看到它们有一些吸收的频率是比较高的，所以会出现一些峰。而如果你把两种农药都放在一起，它两个峰就会加起来，所以你看到的那个最高的其实就是两种农药。可以看到，当一种农药有一个峰，另一种农药有一个峰，这张图就出现两个峰加起来的效果。而通过把两个峰的能量加起来，我们就知道它有两种的不同的农药。
如果我们把农药放在蕃茄上面，我们知道原来是没有这些峰的，现在就加上了这些农药的峰，所以你可以看到蓝色的是一个番茄，另外一个就是加上了农药。所以我们给你的样本说是蕃茄，但是测试以后你会知道里面其实是有农药的。而农药的多少，就可以计算峰相对于只有蕃茄时的曲线所增加的多与少来分辨。
上图可以看到三聚氰胺的检测过程。当三聚氰胺很少很少的时候，它那条线基本是平的，你看不见的。但是当我们慢慢把三聚氰胺的量加起来，慢慢增加，你就可以看到三聚氰胺的峰。然后继续增加它的比重，它的峰的高度就会随之增高。所以把增高的高度和没有三聚氰胺的一般样品对比，我们就可以知道这里有没有污染物，污染物有多少。另外如果我们有很好的一个数据库，我们就可以把它分辨出来了。
这张图中我们可以看到，有一条线是一般的面粉的线，它的吸收率随频率的改变而改变。但是当其上面有三聚氰胺时，三聚氰胺吸收的峰就会加上在面粉上面，所以我们就可以分辨这些污染物就在面粉里面。
当然，除了奶粉中的三聚氰胺，我们也可以分辨巧克力粉等其他物质。
3.用于医学诊疗，甚至诊断癌症
通常，为便于处理，有癌症的细胞组织是被封在石蜡上面的，然而这却给观察造成了不便。于是我们可以通过太赫兹的频谱仪，扫描它的每一个点，记录下来做讯号处理。这时，我们会看到不同的频率。因为癌的组织对太赫兹的吸收的能量是不同的，所以我们就可以通过太赫兹被吸收的不同频率把不同的组织显现出来。比如在一个0.1个太赫兹到了1个太赫兹的地方，就是一个组织的出现变化的地方。通过与我们未来的数据库进行比对，就可以进一步了解到里面的组织到底出现了什么变化。
比如这里，我们放一些肝癌的癌细胞和组织在老鼠上面。在我们的太赫兹频谱仪上面，通过太赫兹的扫描，我们就可以看到组织在不同的频率下，会有不同的反应。我们有通过一个数据库，然后去看它是有什么，是不是癌的细胞。
可以说，太赫茲科学为攻破癌症开启了一扇新的大门，但这项技术还未开始临床应用。
4.用于安检
我们知道，收音机也是无线电的一个应用。然后可见的紫外光则可以验证钞票真伪。而X光，可以穿过人的身体。太赫兹的穿透力没有X光这么强，所以它可以清楚地看到人的组织。比如可以穿透衣服看到皮肤，所以在安检方面是非常有用的。在这个图中，大家可以看到这个人前面拿着一个报纸，但是其实后面有一把刀。我们就可以通过太赫兹的形状，看到报纸背后的那把刀，所以在安检方面是非常有用的。
不同的物料对太赫兹的吸收率不一样。比如说我们穿的衣服，它是可以被太赫兹穿过，从而在我们的身体上显现它的效果。利用不同的物料对太赫兹的吸收率不同，太赫兹技术就可以用于安检。现在我们有两种方法：无源法和有源法。
所谓无源法，大家可能不知道，就是通过检测人体发出的太赫兹信号来检测。人体相当于一个黑体辐射，不停的向外散发能量，其中包括红外，比如在机场，用红外的检测仪就可以对你进行检测，也包括太赫兹。那么，当一个人身上有一把刀时，刀挡住身体散发的热，太赫兹接收仪就会接收到到一片黑色的形状，通过形状就可以推测出此人身上有刀。但通常由于人体散发出的太赫兹信号较弱，所以无源法只能在很短距离时发挥作用。
太赫兹在远距离安检时的应用
而当距离比较远的时候，安检就会采用有源法。有源法就是先把太赫兹信号发射到被检测人身上，然后通过分析从人体反射回来的信号来得知人体藏有的危险物品。美国NASA的一台安检仪器就可以取到25米远。另外，其实现在国内也出现了类似的太赫兹安检仪。
但其实有源法也有一定弊端，比如说我站在这里，我后面也站着一个人，我发射的太赫兹信号就会被挡住。所以，我只能看到前面那个人，后面那人我是看不清楚的。所以一般我们在准备用这些仪器的时候，在一秒钟内，它就可以看到我们的情况。但如果在一群人里面去找，其实到目前为止我们是还没有一个很好的方案的，所以在这个方面我们还需要再继续研究。
5.用于通信
其实太赫兹在通信方面也有很好的应用，之前谈及太赫兹可用距离比较短，只可在短距离内应用。2013年，德国一团队在20米内做成一个太赫兹通信系统，发现它的通信速度其实是非常之高，可以实现每秒钟超过100个吉赫，千兆比特。也就是每100个的位元的一个传输的速度，它用的频率是237.5个吉赫兹，0.37的一个太赫兹频率，所以其实已经出现了利用太赫兹进行通信的方法，并且可以把传输速度提升至非常之快。
太赫兹在通信中的应用
我们刚才说过，太赫兹的能量比较弱，就是因为它的被吸收程度比较强。比如空气就会吸收太赫兹的能量，从而影响太赫兹信号在长距离内传输。但是如果将通信系统转移到太空，这个问题就迎刃而解，可以传输得非常远，所以太赫兹是可以应用在卫星与卫星之间的通信的。加上它的高频率，传输速度可以达到极快，所以大量的数据就可以通过太赫兹来传输。
比如说我们在地面上，如果要把信号送往太空，其实是有点困难的。但是如果我们在飞机上面，如果飞机上面有一些这样的天线，因为在几万公尺上面，空气很稀薄，对太赫兹的吸收也非常之少，所以飞机跟卫星的通信就可以用太赫兹来实现。而如果在一个小的地方，比如在一个飞机的机舱里面，我们就可以通过太赫兹把很多的信号重新送到每一个乘客用的电器的产品上面，这是其中一个可行的地方。
另外一个可行的地方就是，如果我们在医院里面，医生经常要用很大的数据，需要把一些图片，比如他们的X光片传送出去。那么如果利用太赫兹技术，他们就可以以很快的速度，在一个手提机看到不同的照片了。
所以，在短距离里，我们可以用太赫兹以很快的速度传送信号。在太空里，在没有空气能够吸收太赫兹的地方，在那里我们也可以用太赫兹的技术做一个通信。
大家可能听过第五代的移动通信技术，我们第五代的移动通信可能到2020年才能够实现。而在未来10年内也许能实现的第五代以外的通信用的一些天线，我们就已经开始研究了。
那这些天线是什么东西呢？这些天线是利用太赫兹的。我们就里有一个，大家可以看到这里面是一个单元，这个天线很小，这是天线其中的单元。对于天线来说，最重要的就是它发射的能量要通过一个大的频率频带，但要保持稳定不变，才能进而保证通信稳定。而且天线尺寸很小，小于0.5毫米，所以大家平常以为的一根天线其实是一个天线阵。所以用我们一般的技术方法是做不出来的，只能在光电实验室用微制做的技术把它做出来。天线金属的表面很光滑，所以损耗非常小的，也只有太赫兹能满足这么低的损耗率，做成高频率的天线。
大家可以通过显微镜看到这个天线，但其实它不是一个天线，而是一个天线阵列。在这么小的一个地方，里面其实是有12根天线放在一起的。所以这个天线是小于1毫米的。另外，大家可以看到，通过不同的频率，它的方向图的测试的结果是不变的。然后它的频带也很宽，有26个百分比。在一个太赫兹里面，它的频带有260个吉赫兹，它就代表着我们传输的速度是可以以每秒200个千兆元位的速度来做通信的。
我们的天线在毫米波及太赫兹在全球也是非常有名的。去年7月的时候，香港回归祖国20周年的成就典中，我们做的天线就放在北京的首都博物馆进行展览。其中就包括刚才我为大家介绍的太赫兹天线。
太赫兹研究速度为什么比较慢？
尽管太赫兹技术有如此多的用途，但是太赫兹的研究工作却发展得很慢。那是因为相对于其它的频率，其测试仪器非常昂贵。比如，我们实验室里那一台可以达到1.1个太赫兹效果的一个网路分析仪就价值5000万，其昂贵程度可想而知。当仪器很贵的时候，进行研究就要考虑经济效益了。不过，如今在国内，我们已经基本上可以有0.5个太赫兹的网路分析仪，并且可以投入生产进入市场。所以另一方面，我们近10年的研究发展其实已经是非常迅速了。并且我相信，我们国家几年之内也可以做出和国外最顶尖的仪器一样的仪器。到那时，仪器价钱降下来的时候，太赫兹技术研究一定会取得更多成果，有更广泛的应用，这也是我们一直努力的方向。
《世纪大讲堂》播出时间
首播 周六18:00——18:45
重播 周日 02:45——03:25
周一05:00——05:30
周二 01:55——02:35
凤凰卫视中文台
