星光閃耀——太赫茲之美

文 | 王亮

在具體而詳細的介紹太赫茲的概念和技術特點之前，我們不妨先深入的思考，為什麼要發展太空網路通訊？它的實際意義在什麼地方？

首先，我們如果只是通過地面的路由器和交換機來搭建我們所需要的網路，其應用範圍、系統穩定性都會受到極大程度的制約。為什麼這麼說呢？舉個簡單而直觀的例子，如果你給自己新買的別墅裝寬頻布線的話就需要起碼幾十米的光纜或者網線來鋪設。那如果是一個學校呢？一個小區，甚至於幾個城市呢？所需光纜、路由器、交換機數量之龐大是難以估計的。也正因為所需物品資源繁多，信息節點數量巨大，其相應的可靠性也極大降低，一如我們平時經常遇到的——斷網啦！（斷網時想必大家的心態都會如圖一）

圖一

看到這個場景想起斷網時的自己有多心塞了吧！那麼我們可以進一步試想一下，如果這不是上網娛樂，而是一場戰爭呢？古語有云「兵者，詭道也。」講求的就是抓住戰機，如果戰機來的時候斷了網……（後果如圖二）

圖二

現在，想必大家對於最開始提出的問題都已經有了大體的了解，發展太空網路通信（2016年，美國提出建立太空互聯網構想，其方案之一就是構建在距地面1200千米軌道上運行的，由648顆小衛星組成。），最基本的是為了彌補地面網路的一些「死角」，使得信息的全球化覆蓋更加完善、傳輸更加穩定，以太空網路的戰略威懾角度來看，其網路主要節點均位於太空中，太空中的路由器可以確保和全球的互聯網進行數據通信。這極大地增加了通信的地域覆蓋範圍、增強了太空掌控力、節約了物質資源，對於作戰、太空科學研究等特殊領域更是影響深遠。

前邊我們用了一定的篇幅給讀者闡述了太空網路通信的重要性及現實意義，那麼接下來，我們開始講述今天的主角、通訊行業的新寵兒——太赫茲。（如圖三）

圖三

通過圖三我們可以很直觀的看出，當信號的波長越短、頻率越高，其信號傳輸粒子具備的能量越高、穿透力越強，其微觀粒子的波粒二象性越加偏向於粒子;反之，當信號的波長越長、頻率越低，其信號傳輸的粒子具備的能量越低、穿透力越弱，其微觀粒子的波粒二象性越偏向於電磁波。而太赫茲頻段則正是處於毫米波與紅外光之間，這就使得處於太赫茲頻段的電磁波所體現的波粒二象性均不明顯，其與亞毫米波重疊的頻段部分需要利用電子學相關理論進行研究；其與紅外線重疊的頻段部分需要利用光子學相關理論進行研究，具備了進一步開發研究的潛力。（至於微觀世界中的量子論、光量子假說、電子能級躍遷等內容請讀者自行查閱）

太赫茲（Tera Hertz，THz）是波動頻率單位之一，又稱為太赫，或太拉赫茲。等於1,000,000,000,000Hz，通常用於表示電磁波頻率如圖四。

圖四

早期太赫茲在不同的領域有不同的名稱，在光學領域被稱為遠紅外，而在電子學領域，則稱其為亞毫米波、超微波等。在20世紀80年代中期之前，太赫茲波段兩側的紅外和微波技術發展相對比較成熟，但是人們對太赫茲波段的認識仍然非常有限，形成了所謂的「THz　Gap」。

　　2004年，美國政府將THz科技評為「改變未來世界的十大技術」之一，而日本於2005年1月8日更是將THz技術列為「國家支柱十大重點戰略目標」之首，舉全國之力進行研發。而我國政府在2005年11月專門召開了「香山科技會議」，邀請國內多位在THz研究領域有影響的院士專門討論我國THz事業的發展方向，並制定了我國THz技術的發展規劃。

各位讀者心裡大概要問，既然太赫茲技術這麼具備發展潛力、這麼被各國重點關注，那麼它具體在航天領域中可以應用在哪些方面呢？

目前，太赫茲技術在太空中的應用主要集中在通信領域和科學實驗領域兩方面。

1、太赫茲的通信用途

THz波介於毫米波和遠紅外波之間，處於電子學領域向光子學領域過渡的部分，所以它具備了二者的優點。在無線通信中可以獲得10Gb/s的無線傳輸速度，特別是衛星通信，由於在外太空近似真空的狀態下，不用考慮水分的影響。這比當前的超寬頻技術快幾百至一千多倍，使得THz通信可以以極高的帶寬進行高保密衛星通信。

1994年，美國的貝爾實驗室採用InGaAs/InAlAs體系，設計了三阱結構，並且在基於多量子阱級聯結構的量子級級聯激光器的中紅外頻段實現了成功的光子激射。2002年，第一台工作於4.4THz的量子級聯激光器研製成功，並在50K的環境溫度下成功激射。近些年來，太赫茲量子級級聯激光器最高工作溫度已達199.5K，可以穩定的工作於太空環境中。（之所以說可以穩定的用於太空中的通訊，而不是地面和地空領域的通訊傳輸。一，是由於地面環境溫度普遍較高，且溫度變化影響因素較多，以目前的太赫茲應用的技術水平難以實現系統正常運行。二，是由於地空間厚厚的大氣層，大氣層既能阻隔掉紫外線等有害光線來保護我們，那麼我們可以把它想像成一種光柵。這個可愛的光柵只對於波長在10.6μm的信號損耗較低，這也成為了地空間激光通信的主要窗口。（二氧化碳氣體激光器的激射激光波長為10.6μm；太赫茲信號波通過大氣層時的衰減如圖五））

圖五

2、太赫茲的科研用途

2.1生化實驗

德國電子同步加速器研究所報告說，強烈的太赫茲輻射可引發水分子劇烈震動，打斷水分子間的氫鍵。這種方法可將約一納升（十億分之一升）水在半皮秒（一皮秒為一萬億分之一秒）內加熱至600攝氏度。

一納升水雖然聽起來不多，但對很多實驗來講已經足夠。一皮秒比一眨眼的時間還要短很多，因此這種燒開水的方法可稱得上是迄今最快的。由於水在許多化學與生物過程中扮演重要角色，新發現或可為化學與生物領域提供更多實驗可能。

2.2生物醫療診斷

由於太赫茲波很容易被水分子或氧氣分子等極性物質吸收（這也是太赫茲的一大缺點，使之無法穿越大氣層。），而不同的分子具有不同的吸收頻譜線，我們可以利用這些譜線以及太赫茲波成像技術來診斷一些重大疾病，這是其他電磁波段無法無法比擬的。不久前，中國科學院重慶綠色智能技術研究院太赫茲技術研究中心就表示太赫茲波能直接「看到」DNA、蛋白質等生物大分子，這就意味著，我們完全可以太赫茲技術來診斷癌細胞。

那麼，既然太赫茲技術對我們的生活會帶來這麼多好處，為什麼我們沒法在現實生活中大範圍應用呢？太赫茲技術的難點在哪裡呢？

技術不成熟是太赫茲無法大面積使用的根本原因，由於在太赫茲頻段既不能完全適合用光子學理論來處理，也不完全適合電子學的理論來研究。交叉融合的學科發展使得太赫茲技術停滯不前。

目前，微波和激光的成本和效率都比要優於太赫茲雷達，但在未來的十年或二十年里，太赫茲終將會成為最核心的技術。

作者簡介

王亮，博士，2015年畢業於哈爾濱工業大學，畢業後直招就職於某部。

《未來空天》公眾號

小編微信號 : spaceFA

郵箱：FutureAerospace@163.com

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