太赫兹：填平“鸿沟”成坦途
■付华珺 祃宸升
通信技术试验卫星二十五号发射升空，面向多频段、高速率卫星通信开展技术验证。新华社发
今年上半年，一则来自航天领域的消息，又一次把太赫兹技术从实验室推向了大众视野。
6月11日，通信技术试验卫星二十五号发射升空，顺利进入预定轨道。据悉，该卫星主要用于开展多频段、高速率卫星通信技术验证。面对海量数据传输需求，拓展可用频段、提升传输速率，成为未来空间通信发展的重要方向，也为太赫兹技术提供了广阔应用空间。
相较于传统通信方式，太赫兹通信具有大带宽潜力。以往卫星拍摄的超高分辨率对地观测影像，要花数十分钟分批下传；然而未来借助太赫兹链路，相同大小的数据包仅需短短数秒就能传回。随着相关技术不断发展，太赫兹通信未来有望为“6G空天地海一体化网络”搭建起一条无形的“太空光纤”。
近年来，凭借与生俱来的频谱禀赋和超大带宽、高分辨率成像、安全穿透等特点，太赫兹技术正持续赋能多个行业。作为电磁波谱里的特殊频段，如今太赫兹波正渐渐成为支撑6G、智能感知、生命科学与高端制造等技术发展的未来引擎。
那么，太赫兹技术藏着怎样的科学密码？其未来发展将给人类社会带来哪些影响？本期，让我们一同走进电磁波的广袤谱系，揭开太赫兹的神秘面纱。
电磁波谱的“黄金间隙”
人类用肉眼看不到电磁波，但电磁波遍布我们周围：微波炉依靠微波搅动分子，加热食物；医院用CT设备给患者进行医学扫描时，主要依靠X射线穿透人体……这些都是电磁波在人类社会中的应用，唯一的区别，是电磁波振动频率的高低不同。
太赫兹波的频段落在0.1~10THz这个区间，波长介于0.03~3毫米之间。1THz代表每秒振荡1万亿次。相较于大家熟悉的5G通信，太赫兹波的频率高出数十乃至上百倍。频率越高，带宽越大。通信世界里，太赫兹波的带宽如同一条高速公路，带宽越大，可并行数据车辆的通道就越宽阔，信息洪流也得以毫无阻塞地奔腾。
在电磁波宏大的谱系版图上，太赫兹静卧于微波与红外之间，是一段奇妙的夹缝地带，一头连着电子学，一头连着光子学，兼得两边之长。论穿透性，它胜过红外与可见光；论成像精度，它远强于微波和毫米波；论安全性，它的光子能量远低于X光，不会对人体产生电离伤害，也不必过于担忧辐射风险。强穿透、大带宽、低损伤，多重优势集于一身，这便是独属于太赫兹的“异禀天赋”。
“太赫兹”这一名词诞生于1974年，当时，科学家弗莱明在光谱实验中捕捉到这一段特殊信号并将其命名。不过，此后的数10年间，这片黄金波段长期被锁在“技术牢笼”之中，有人称之为“太赫兹鸿沟”，也有人喻之为“悬浮在电磁波谱系里的孤岛”。
困境的根源，正是因为它夹在电子学与光子学之间的特殊位置。电子器件工作于如此高的振荡频率时转换效率微乎其微；光学器件又难以适配它的波长。缺少足够强劲的发射源和足够灵敏的探测器，使得人类看得见这片频谱所处的方位，却找不到登岸的舟楫。
直到21世纪，随着半导体、新材料技术等不断发展，厚重的“鸿沟”才开始慢慢消融。太赫兹被美国列入“改变未来世界的十大技术”，被日本列入“国家支柱技术十大重点战略目标”，世界各国投入资金持续攻关；我国依托国家重大科研项目，持续对太赫兹技术布局多年，一步一步追赶突围，不断产出原创成果。
多域场景的“技术利刃”
当“太赫兹鸿沟”被一点点填平，那些藏在夹缝中的频谱天赋，便化作一把把划破行业瓶颈的技术利刃，在通信、工业检测、公共安防、生命健康多个领域展现出广泛的应用前景。
——超大带宽：天地之间的信息通道。
太赫兹最耀眼的禀赋，是无可比拟的带宽能力。它能提供数十GHz的连续带宽，打个比方，与5G技术相比，相当于把双向四车道，拓宽成几百至几千个车道并行的超级通衢，从根源上化解移动通信的流量拥堵难题。
目前，面对全息通信、XR沉浸式交互等场景的技术要求，5G的带宽承载力渐渐显得捉襟见肘。而太赫兹技术，正是6G实现“空天地海一体化网络”的核心基石——海量探测数据，依托太赫兹星地链路，可实现秒级回传。放眼未来，它可以串联起散布在轨道上的无数卫星，搭建高速传输网络，构建起天地一体的信息骨架。试想一下，一部几十GB大小的4K高清影片，5G传输需要数分钟，而太赫兹只需要短短数秒。全息直播、远程沉浸式交互……这些曾经停留在科幻作品里的场景，都有了落地的可能。
——超高分辨率：微观世界的无形探针。
太赫兹波长较短，波束纤细，穿透性强，自带超高空间分辨率，仿佛一枚可以深入材料内部的精密显微探针，能捕捉微米级甚至纳米级尺度的细微变化。
在高端制造领域，面对航空构件涂层、复合材料内部的微裂纹、孔隙缺陷，人类凭借肉眼与普通光学检测很难察觉。而太赫兹无损探测技术可以穿透材料表层，定位埋藏在材料内部的微小瑕疵，无需打孔，不损伤材料，即可守护航空、芯片产业的安全底线。
在智能探测感知赛道，太赫兹传感器延续了这一“穿透”优势。雨雾、沙尘会遮蔽可见光，让激光雷达“失明”。相比之下，太赫兹感知系统既能穿透恶劣气象，又保有精细的分辨能力，能识别行人、非机动车、道路障碍物等，为驾驶车辆安上一双不惧迷雾的“慧眼”。
——安全透视眼：民生场景的温柔守望。
太赫兹还有一项珍贵特质，那就是在具有穿透能力的同时，还具有生物安全性。太赫兹光子能量微弱，安全性高，同时能够穿透塑料、织物等非金属材料，实现无接触透视，未来应用于城市公共空间等场景时更具优势。
传统安检依靠金属探测门、手持探测器等方式，只能识别金属物品，极易漏检陶瓷刀具、粉末、胶体危险品等；X光安检方式则存在辐射顾虑。而太赫兹安检设备，可以实现行人无感通行，行人不用脱包、不用停下等待，就能一次性识别各类违禁品，兼顾安全与效率，目前已经在口岸、大型场馆逐步落地。
除了安防领域，太赫兹还正叩响医学界的大门。依托太赫兹光声探测技术，科研人员可以实现无创检测，不必给患者抽血和穿刺，就能捕捉到人体的生理信号。未来，电解质监测、皮肤病变筛查等，都有望无创伤且快速地完成，给临床诊断增添一种温和的新手段。
驱动下一代信息技术发展的关键引擎
如果说过去数10年，太赫兹波段是科学家努力登陆的孤岛、尽力填平的鸿沟；那么如今在6G、航天、先进制造等技术快速发展的情况下，它正在成为驱动下一代信息技术发展的关键引擎。
6G的宏大愿景，是实现地面基站、高空平台、轨道卫星之间的互联互通，进而无缝编织一张“空天地海一体化网络”。而太空真空环境几乎不吸收太赫兹波，大带宽、强定向的特性，较适配星间通信的要求。
一条条太赫兹链路，就是漂浮在太空中的高速数据线，将散落在轨道上的卫星连成一张巨型网络。目前，我国正在布局多颗试验卫星搭载太赫兹载荷进行在轨验证，正是这幅宏大蓝图里的关键一笔。
在前沿科研领域，太赫兹是探索微观世界的新工具。科研人员借助太赫兹技术，观测量子材料、超导材料、钙钛矿光伏电池内部的载流子运动，揭开材料内部的物理奥秘，助力下一代光伏、量子器件研发。
在未来战场，太赫兹同样是影响攻防格局的利器。利用大气传输独特的衰减效应，它可以构建高保密战术通信：信号传播一段距离后被快速淹没在背景噪声中，敌方很难截获破译。同时，较短的波长可以穿透隐身战机的吸波涂层，触及内部金属结构，让隐身目标无所遁形，为反隐身探测开辟新路径。
当然，前路依然有荆棘。如今，太赫兹器件的大功率、集成化等，仍是其实现大规模商用的难关。想要把实验室里惊艳的指标，变成人人可用、随处部署的设备，还需要科研人员久久为功。
从一段被遗忘的频谱缝隙，到星地通信在轨试验、工业探伤、无感安检、无创医疗等多点开花，太赫兹技术走过了数十年漫长而寂静的求索之路。这片电磁波谱上曾经的无人之境，已经不再是孤立的技术孤岛。未来，当太赫兹的光束穿过迷雾、跨越天地，它打开的将不只是一条新频谱，更是人类感知世界、交换信息的全新维度。
