太赫兹的真相

来源：悦智网

作者：Carter M. Armstrong

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在一眨眼的功夫无线传输巨大的文件！远程发现炸弹、毒气云和隐藏的武器！利用太赫兹射线透视墙壁！你可以利用太赫兹技术做到这一切，或者在了解关于这一主题的流行观点后，你可能会这样认为。

而事实与此有些出入。太赫兹波段是一段介于微波和光波之间的电磁频谱，对应约3000亿赫兹至10万亿赫兹的频率（或者说，其波长在1毫米到30微米之间），它很有发展前景，但也令人烦恼。这种辐射确实有一些独特的吸引人的特质。例如，它可以产生高清晰度的图像，并快速传输大量数据。然而，它是非电离性的，这意味着它的光子没有活跃到足以使电子从人体组织的原子和分子中分离出来，这可能会引发有害的化学反应。这种波也会刺激许多材料的分子和电子运动，一些材料会将其反射回去，一些会被其穿透，而另一些会将其吸收。实验室演示已经对这些特性进行了探索，用于识别炸药、找出隐藏的武器、检测航天飞机材料上的缺陷以及筛查皮肤癌和蛀牙。

但是，要把这些实验室现象应用于现实世界，是难以实现的目标。几十年来，大批研究人员一直在为完成这一挑战而努力着。

过去，驯服和驾驭太赫兹波段的工作尤为艰难。我第一次意识到这有多难，是在2007年我与美国政府的一个专门小组共同主持审查紧凑型太赫兹源的时候。该审查的主要目标是确定该技术的发展情况。我们听取了约30个研发团队的报告，最后对其目前发展状态有了很好的了解。但是，这次审查未能清晰呈现探索太赫兹波段的诸多挑战。我真正想要的是这些问题的答案，如太赫兹频率究竟最适合被用于什么？以及生产、管理、应用、和以其他方式操控太赫兹频率的难度有多大？

于是，我开始自己调查。我研究了国防、安全和执法领域内已经被广泛讨论的三种太赫兹频率应用的关键问题：通信和雷达、远程识别有害物质以及隔墙成像。我也研究了2007年的审查中涉及的二十多个紧凑型太赫兹源，以了解除了设计和功能差异之外，它们是否面临共同的性能方面的挑战。而最近我又有了新的发现，尽管我当时得出的许多结论现在仍然成立。

我的目的不是阻止对这种有潜在价值的技术进行探究——完全不是。但还是有一些任何研究这项技术的人都无可避免要面对的事实。下面就是我的发现。

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尽管太赫兹技术近几年才被广泛报道，但这种现象其实存在已久了。过去它只是用了不同的名称而已，如近毫米波、亚毫米波、极远红外。自至少20世纪50年代起，研究人员就试图探究其吸引人的特性。例如，早期的分子光谱学工作者对该光谱频段的利用就为其在陆基射电望远镜中的应用奠定了基础，如智利的阿塔卡马（Atacama）大型毫米波/亚毫米波阵列。多年来，也出现了一些其他新用途，最显著的是空间遥感。在20世纪70年代，空间科学家开始利用远红外和亚毫米波光谱仪来研究星际介质和行星大气的化学成分。我最满意的统计数据之一来自于美国航空航天局戈达德太空飞行中心（NASAGoddard Space Flight Center）的天文学家戴维.雷萨维茨（David Leisawitz），这些统计数据表明，自大爆炸以来释放的光子，98%位于亚毫米波和远红外波段，而赫歇尔空间天文台（HerschelSpace Observatory）之类的观测台即被设计为对这一现象加以利用。事实上，可以放心地说，目前的太赫兹技术是推动射电天文学和空间科学发展的良好手段。

相对于地面的相应设备，沿轨道运动的太赫兹仪器有一个很大的优势：它们是在宇宙空间中！具体来说，它们在接近真空的环境中工作，并且不需要与密实的大气层抗衡，因为大气层会吸收、折射、散射太赫兹信号。它们也不需要在恶劣天气下工作。没有简单的方法来解决那些陆地上的客观限制。你可以在更高海拔的地区工作，那里大气密度和湿度较小，但许多设想中的太赫兹应用是在地面上。你可以提高信号的强度，以期接收端可以收到足够强度的信号，但在某些时候，这是不实际的，下面我们会谈到这一点。

很显然，大气衰减给利用太赫兹频率的远程通信和雷达带来了问题。但问题有多严重呢？要回答这个问题，我比较了海平面水平传播的不同场景，包括晴朗的天气、恶劣的天气、各种距离范围（从1米到6公里），以及35千兆赫和3太赫兹之间的特定频率，以确定在不同情况下信号衰减的程度。对于短程操作，即在10米或更短距离内的信号传输，大气和恶劣天气没有实际影响。

如果试着传输更远的距离，你就会遇到我称之为“太赫兹墙”的障碍：无论你怎样增强信号，也无济于事。例如，频率为1赫兹的1瓦信号，在传输仅1公里后就会消失。其实也不是完全消失：它还保留了其原有强度的约10%~30%。所以，即使你将信号的功率提高到离谱的水平，比如1拍瓦，然后以某种方式在该过程中不电离大气而使信号传输，当信号到达其目的地时，其功率会降低到仅有几毫微微瓦。不用说，没有任何能够产生接近拍瓦功率的太赫兹源；最接近的是自由电子激光器，它能够输出接近几十兆瓦的功率，但该设备并不适合现场部署（现在的致密源的输出功率范围为1微瓦到1瓦之间，下文会提及）。而且这还是在一般的大气条件下。雨和雾会进一步降低信号的强度。除了使用太赫兹波段的远距离陆基通信和雷达之外，其它一切信号都会严重衰减。

太赫兹波的另一个可能是非常宝贵的、并受到大肆宣传的用途是远程识别有害物质。在气态时，许多自然界分子和人造分子，包括氨、一氧化碳、硫化氢和甲醇，在受到太赫兹频率刺激时会吸收光子，而这些吸收频带可作为化学指纹图谱。即便如此，除非在实验室的精确校准条件下或太空中空气稀薄的环境里，也会有新的难题出现。

比如你是一名处理危险品的工作人员，你收到了有可能发生沙林毒气袭击的报告。显然，你希望保持一定的距离，因此你拿出可靠的便携式T波波谱仪，类似于《星际迷航》里的三录仪。它向那团气体发出太赫兹辐射的定向波束；气体就会吸收这种带有特性频率光谱签名的辐射。与使用窄带信号的通信和雷达不同，你的光谱仪会发出一个从约300千兆赫到3太赫兹的宽带信号。当然，为确保该信号能返回到光谱仪，它需要穿过气体云进行反射，如在建筑物、容器、甚至树木上进行反射。但在上述情况下，当信号到达气体云再返回探测器时，大气会削弱信号的强度。而由于一种被称为压力增宽的效应，大气也会抹去气体云的光谱特征。即使仅有10米的距离，这一效应也有可能会使获得准确的读数非常困难。而另一个困难是，蔗糖和部分塑料炸药等一些材料的化学签名非常没有特点，这就使得区分它们异常困难。

现在，当你听到太赫兹辐射穿墙成像这一被广泛讨论的应用也面临着重大障碍时就不会感到惊讶了吧。它的原理很简单：将太赫兹辐射以某种墙面为目标，墙的另一侧放着一个物体。太赫兹波可以穿透一些（但不是所有）在可见光下不透明的材料。因此，根据墙体的厚度和材料，一些波能够通过，从物体上反射回来，然后穿过墙回到发射源，从而显示隐藏物体的图像。

但实现这一简单的理论又是另一回事了。首先，我们假设，物体本身不会分散、吸收或在其他方面造成信号的衰减。即便如此，你所得到的图像质量将在很大程度上取决于墙面的材料。如果墙面是由金属或其他一些有良好导电性能的材料制成的，你将无法获得任何图像。如果墙面包含了任何常见的绝缘材料或建筑材料，信号衰减仍然会很严重，这取决于材料类型及其厚度，以及你所使用的频率。例如，一个穿过四分之一英寸厚的胶合板的1太赫兹信号，其功率是94千兆赫信号穿过同样距离的功率的百万分之十五。而如果材料是潮湿的，损失甚至更高。（这些因素不仅影响了隔物成像，也会影响太赫兹的无线网络，该网络需要发射源和接收器之间至少有一条直视线路。）所以，你拥有一部“X射线透视器”的童年梦想可能在短期无法实现了。

当然，一些研究人员已经成功地演示了穿墙成像。在这些演示中，辐射源发出了包括太赫兹等很宽频率范围的辐射脉冲。鉴于我们对高频信号衰减的了解，虽然一些研究过这些结果的科学家认为，这些出现的图像极有可能不是发生在太赫兹波段，而是在较低的频率。如果是这样的话，那么为什么一开始不使用毫米波成像仪呢?

在结束成像的话题之前，我想最后说说太赫兹医疗成像的问题。我所听说的一些比较有创意的潜在应用包括脑成像技术、肿瘤检测和全身扫描，它将产生比任何现有技术更详尽的图片且完全安全。但理想和现实再次产生了差距。哥伦布市俄亥俄州立大学的物理学家弗兰克.德露西亚（Frank DeLucia）指出，在生理盐水中仅传输1毫米后，太赫兹信号的功率即降低到原强度的十亿分之二，而生理盐水与人体组织十分近似。至少目前，太赫兹医疗器械仅可用于皮肤癌和蛀牙等的表面成像，以及薄组织样本的化验。

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这些就是利用太赫兹波段的一些基本挑战。在物理学方面的确有很大的困难，但是这并没有阻止开发人员继续探索各种太赫兹设备的相关应用。因此，接下来我要考察的是能够在太赫兹频率产生辐射的系统的性能。我决定把重点放在太赫兹源上，而不是检测器、接收器、控制装置或其它，因为虽然这些部件也很关键，但业内人士都认为，阻碍研究进展的是缺乏适当的太赫兹源。

紧凑型太赫兹源的短缺有着充分的理由：它们真的很难制造！对于许多应用来说，发射源必须强大到足以克服极端的信号衰减，高效到足以避免在其自身徘徊，且小到足以在现场部署，而无需放置在平板车上携带。（在某些应用中，发射源的光谱纯度、可调谐性或带宽更为重要，因此较低的功率是可以接受的。）上文提及的成功的空间仪器仅检测了天体和空间事件自然发射的太赫兹辐射；虽然其中一些仪器使用低功率发射源以提高灵敏度，但还尚未尝试在太赫兹频率进行传输。

2007年的政府审查，大致将紧凑型太赫兹源定义为平均输出功率介于1兆瓦至1瓦之间，在300千兆赫至3太赫兹频段工作，且或多或少是“便携式”的（我们选择了平均功率而不是峰值功率，这是因为最终在几乎所有的设想应用中都使用平均功率）。此外，我们要求发射源的转换效率至少是每100瓦输入功率的1%，发射源将产生1瓦或1瓦以上的信号。事实证明，即使是这样适度的目标，也是相当具有挑战性的。

2007年的审查包括了约20个太赫兹源。在这里我没有足够的篇幅来描述这些设备的工作机理，但总体来说，它们分为三大类：真空类（包括返波振荡器、速调管、光栅真空器件、行波管和回旋管），固态类（包括谐波频率倍增器、晶体管和单片微波集成电路），以及激光和光子类（包括量子级联激光器、光泵浦分子激光器和各种光电无线电频率发生器）。真空类设备和激光类分别在下限和上限频率上表现出了最高的平均功率。固态类设备紧随其后，其次是光子设备。公平地说，将回旋管称为紧凑型发射源有些夸大，而光子源可以产生从几百瓦到上千瓦的高峰值功率，它们也需要较高的光动力。

尽管在设计上有很大差异，并在性能上有一些不同，但这三大类太赫兹技术都面临着类似的挑战。一个显著的问题是它们的转换效率都很低，通常都远低于1%。因此，要获得一个1瓦的信号，你可能需要上千瓦或更大的输入功率。相比之下，其他日常的电子和光学设备则更加高效。例如，一个典型的2千兆赫智能手机的射频功率放大器的运作效率约为50%，一个可将电力转换成光的商用红色二极管激光器的效率则超过30%。

设备的低效率与小尺寸导致了另一个问题，即非常高的功率密度（设备必须处理的每单位面积的功率量）和电流密度（设备必须处理的每单位面积的电流量）。对于真空类和固态类设备，功率密度在每平方厘米几兆瓦的范围内。假设你想使用传统的真空行波管（TWT），功率密度就扩大到了1太赫兹。这样的装置就需要你将功率密度为每平方厘米数兆瓦的电子束集中到内径为40微米至约为人类头发直径一半的真空电路中（与之相比，太阳表面的太阳辐射功率密度只有约每平方厘米6千瓦）。一个具有纳米功能的太赫兹晶体管，也在类似的高功率密度水平下工作。所有被检测的电子和光子器件，甚至是量子级联激光器，都需要从每平方厘米几千安培到每平方厘米几兆安培的高电流密度。顺便说一下，上述电流密度范围的上半部分在用于核效应试验等的脉冲功率发电机中十分典型。

紧凑型电子和光学设备可以处理此类情况，但这是在自找麻烦——如果设备没有充分冷却，内部功耗没有达到最小化，并且没有使用正确的材料，设备可能会迅速融化、蒸发或以其他方式被破坏。当然，最终会达到一个上限，超越这个上限，你根本就无法使功率密度和电流密度继续升高了。

作为一名设备工程师，我当然对发射源的输出功率及其频率之间的关系感兴趣，这种关系被称为工频缩放。当你将设备的平均功率沿y轴绘制，频率沿x轴绘制，你希望看到尽可能平直的曲线。这种平直意味着，随着频率的增加，输出功率保持稳定，或至少不会大幅下跌。在典型的射频器件，如晶体管、固态二极管和微波真空管中，输出功率与频率的平方成反比。换句话说，如果你将频率翻倍，输出功率将下降至原来的1/4。

然而，我们在2007年审查的多数电气太赫兹源的功率—频率变化曲线则更为陡峭，基本上在进入到太赫兹范围内时就跌到谷底了。在一般情况下，功率与频率的倒数的四次方（或更高次方）成正比，这意味着，随着频率翻倍，输出功率将会下降至原来的1/16。因此，一个可以在100千兆赫产生几瓦的设备，在达到1太赫兹时只能产生几百微瓦。而在太赫兹波段，激光类设备功率的下降速度比你预计的还要快。

鉴于我前面提到的在太赫兹波段极端的信号衰减，以及发射源的低转换效率，这种功率的急剧下降对于该技术的商用又是一个巨大的障碍。

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你会说，好吧，但所有这些问题不能归结为发射源技术仍然不成熟吗？换句话说，我们难道不应该期望设备性能将会提高吗？当然，这项技术会越来越成熟。在我初次的分析和撰写这篇文章的几年间，我也发现了这项设备技术的一些亮点：

• 微制造真空设备的平均功率上升了两个数量级，在650 千兆赫时从约10微瓦上升到超过1毫瓦，研究人员目前在对多波束和单波束设备进行研究，它们比同类的低电压单圆束设备功率更高。

• 亚毫米波单片微波集成电路和晶体管的平均功率攀升了5～8倍，在200千兆赫达到100毫瓦，在650千兆赫达到1毫瓦。

• 与2007年的2.89太赫兹相比，到2012年，毫瓦级低温冷却的量子级联激光器的工作频率范围下降到了1.8太赫兹。

着眼于实验室以外的应用，研究人员一直以来也在以其他方式加强其发射源，包括光子器件和激光器改进的包装，以及提高量子级联激光器的工作温度。鉴于人们在该领域的努力和兴趣，肯定会有更多的进步和改进出现。

这就是说，我的主要观点仍然是：虽然太赫兹分子光谱已在射电天文学和空间遥感领域内被不断地加以科学利用，但对太赫兹技术广泛宣传的主流意见仍不可轻信。此外，尽管最近在太赫兹技术方面取得了一些进展，但紧凑型太赫兹设备中高效率地产生应用级输出功率仍然极其困难。我强烈地感到，对任何吹嘘使用太赫兹辐射的应用，都应该进行彻底的验证，并经其他手段进行核实。它是否真的使用了太赫兹频率，或者还涉及一些其他部分的电磁频谱？该应用是否真的实用，还是它需要在苛刻的条件下进行，可能永远无法在现实世界中可靠地实现？是否有同样好的或更好的与之竞争的技术存在？

对于太赫兹频率下的工作，我们仍有很多未知的事情。我真的认为我们应该继续大力推进基础科学和技术的研究工作。首先，我们需要开发准确且强大的计算模型，以分析在太赫兹频率中的设备设计和运作。这些模型将在该领域未来的发展中起到关键作用。我们还需要更好地了解太赫兹频率下的材料性能，以及常见的太赫兹现象。

最后，我们可能需要跳出固有的思维模式，结合设备工程学和非传统技术，创造新的设计和方法。在电子产品的其他领域，我们已经克服了巨大的挑战，战胜了难以逾越的困难，无数过去的预测都在随后被持续的技术演进所推翻。当然，与任何新兴的技术探索一样，达尔文的进化论将决定最终的幸存者。