在浩瀚的電磁波譜中，從無線電波到伽馬射線，人類已經(jīng)開發(fā)和利用了大量頻段。然而，在微波和紅外光之間，存在一個神秘的區(qū)域，這就是太赫茲波段。它的頻率范圍比手機(jī)、Wi-Fi等用的微波頻率更高，但又比紅外（比如熱成像）低不少。

太赫茲波的頻率范圍

更有意思的是，太赫茲正悄悄走進(jìn)一些你想不到的地方：機(jī)場安檢、工廠質(zhì)檢、醫(yī)療輔助檢查、文物保護(hù)等。很多原本需要“拆開看”“接觸測”甚至“上強(qiáng)手段”的環(huán)節(jié)，太赫茲提供了一種更省事、更溫和的新選擇。那么，它到底憑什么能做到呢？讓我們從太赫茲波的獨特之處開始聊起。

太赫茲波的獨特之處

太赫茲波屬于電磁波，但不同于X射線或可見光，它具有許多獨特的物理特性。首先，太赫茲波的光子能量遠(yuǎn)低于X射線，因此不會對生物組織造成電離損傷，這使它成為一種安全的成像手段。其次，太赫茲波可以穿透許多非金屬、非極性的材料，如紙張、衣物、塑料、陶瓷以及部分生物組織，從而揭示肉眼無法直接看到的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。除此之外，許多化學(xué)物質(zhì)在太赫茲波段擁有特征吸收峰，這些“光譜指紋”讓太赫茲波不僅能夠成像，還能夠識別物質(zhì)的種類和成分。

太赫茲波在電磁譜中的位置以及典型應(yīng)用場景

然而，長期以來太赫茲波的開發(fā)十分困難。直到近二十年，隨著超快激光、半導(dǎo)體材料以及低溫超導(dǎo)技術(shù)的突破，太赫茲源和探測器才逐步成熟，為成像應(yīng)用鋪平了道路。

太赫茲成像的工作原理

太赫茲成像的原理可以簡單地概括為：利用一種“看不見的光”照射物體，再將透過或反射回來的信號轉(zhuǎn)化為圖像。基于太赫茲波的穿透性和光譜特性，太赫茲成像能夠在不破壞物體的前提下，獲取其表面及內(nèi)部信息。具體來說，太赫茲波照射到物體后，會發(fā)生透射、反射或散射現(xiàn)象。通過探測這些信號的強(qiáng)度、相位和頻譜特征，就能重建出目標(biāo)的二維或三維圖像。

微米分辨太赫茲成像示意圖

太赫茲成像常采用兩種方式：透射成像和反射成像。透射成像類似于X光透視，將太赫茲波穿過樣品，通過探測不同區(qū)域信號強(qiáng)度的變化，獲得內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。反射成像則更適用于不透明或厚度較大的材料，通過分析表面和近表層的反射信號，甚至可以識別隱藏在表面下的缺陷。

航天飛機(jī)缺陷處的太赫茲圖像

現(xiàn)代太赫茲成像常結(jié)合太赫茲時域光譜技術(shù)（THz-TDS），即利用超快激光脈沖產(chǎn)生太赫茲脈沖，通過測量回波信號的時間延遲和頻譜特征，不僅獲得形貌信息，還能獲取材料的光譜指紋，實現(xiàn)“看得見”與“辨得清”的雙重功能。

THz-TDS透射成像原理圖

太赫茲成像的應(yīng)用領(lǐng)域

太赫茲成像最廣為人知的應(yīng)用之一是安全檢查。在機(jī)場安檢中，它能夠透過衣物檢測是否攜帶違禁品，如金屬刀具、塑料炸藥、液體瓶等，而且過程快速且無輻射風(fēng)險，相比傳統(tǒng)金屬探測器，它還能發(fā)現(xiàn)非金屬危險品。這種能力為公共安全提供了新的保障，和只對金屬敏感的金屬探測器相比，太赫茲更有機(jī)會發(fā)現(xiàn)塑料、陶瓷、粉末等非金屬物體。

地鐵口太赫茲成像安檢圖

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，太赫茲成像憑借對水分的敏感性，可以用于檢測皮膚癌、燒傷或齲齒等病變區(qū)域。由于水分在太赫茲波段吸收顯著，健康組織與病變組織會表現(xiàn)出明顯的差異，這為醫(yī)生提供了一種無創(chuàng)、安全的檢測手段。雖然目前仍處于早期研究階段，但未來太赫茲成像有望應(yīng)用于皮膚病診斷、藥物滲透檢測甚至手術(shù)輔助。與CT/X光相比，它不提供深部器官的透視能力；與超聲、磁共振成像（MRI）相比，它的優(yōu)勢更多在于對表面水分與成分差異的敏感。因此它更可能作為輔助篩查或術(shù)中定位工具，而不是直接取代病理檢查。

小鼠皮膚黑色素瘤組織太赫茲成像檢測

工業(yè)檢測是太赫茲成像的另一大應(yīng)用方向。在航空航天領(lǐng)域，復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于飛機(jī)和航天器，但其內(nèi)部可能存在分層或氣泡缺陷。傳統(tǒng)檢測手段難以做到既無損又高精度，而太赫茲成像則能穿透復(fù)合材料并識別內(nèi)部結(jié)構(gòu)。此外，制藥行業(yè)也利用太赫茲成像分析藥片中有效成分的分布，保證藥物質(zhì)量。在文化遺產(chǎn)保護(hù)中，太赫茲波能夠穿透油畫表層，揭示隱藏的草稿和修復(fù)痕跡，為文物修復(fù)提供可靠依據(jù)。

電子科技大學(xué)胡旻團(tuán)隊用太赫茲時域光譜系統(tǒng)分析兵馬俑

總結(jié)來說，太赫茲成像技術(shù)是一種結(jié)合光學(xué)、電子學(xué)和材料科學(xué)的新興成像方法。它不僅能夠提供肉眼無法看到的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還能通過光譜分析識別物質(zhì)成分，具有安全性高、信息量大的優(yōu)勢。雖然目前仍處于發(fā)展階段，但其潛在價值已經(jīng)在安檢、醫(yī)療、工業(yè)和文物保護(hù)等領(lǐng)域得到驗證。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，太赫茲成像有望在未來發(fā)揮越來越重要的作用，成為我們?nèi)粘Ｉ钪械某Ｒ姽ぞ摺?/p>

參考資料

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[5]Li DD, Yang ZB, Fu AL, et al. Detecting melanoma with a terahertz spectroscopy imaging technique. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy 2020, 234: 118229.

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來源：蝌蚪五線譜

編輯：小赫Amyyy

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