“劉院士當年收我做研究生的時候，說讀研究生沒問題，但是將來一定要留下來搞太赫茲，正因此我即便在 MIT 做博後，就完全沒想過留在國外，”電子科技大學太赫茲科學研究中心教授胡旻告訴 DeepTech，如今已經 87 歲的劉盛綱院士是國內太赫茲的旗手和領軍人物，而胡旻也被認為是劉院士在太赫茲研究上的傳承者。

圖 | 胡旻（來源：受訪者）

太赫茲波段：電磁波譜上僅存的處女地

電磁波是 1860 年物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clerk Maxwell）在理論上預言出來的產物，指的是電場和磁場相互耦合產生電磁波。1888 年，物理學家海因裡希·魯道夫·赫茲（Heinrich Rudolf Hertz）從實驗上證明出來。而人類使用電磁波是從 20 世紀開始。1901 年，實用無線電報通訊的創始人伽利爾摩·馬可尼（Guglielmo Marconi）率先利用電磁波實現了從美國到英國的越洋電報傳輸。

（來源：受訪者）

從此人類一直在不停地利用電磁波，按照變化的快慢，電磁波可以從低到高排列，科學家稱之為電磁波譜，最早的越洋電報的頻率是 kHz（即電磁波 1 秒鐘變化 1 千次）。以 102.6 MHz音樂之聲電臺為例，這個電磁波 1 秒鐘變化 102.6*10 的 6 次方次。隨著資訊時代的飛速發展，人類利用逐漸向更高頻率上發展。目前，我們無線通訊利用的微波，家裡的微波爐等就是利用 GHz，也就是 1 秒鐘變化 10 的 9 次方的電磁波工作的。

由於人自身生理結構的原因，人類很早便開始研究可見光，其實光也是一種電磁波，只是頻率更高，1 秒鐘要變化 10 的 15 次方.

那麼太赫茲波是什麼？太赫茲是比微波頻率高、比可見光頻段低的這一段電磁波。總地來說，太赫茲是電磁波譜中的一段，只是這一段人類一直沒有開發。也正因此，太赫茲波段被稱為 “電磁波譜上僅存的處女地”。

整個電磁波譜裡邊，從馬可尼的無線電一直到更高頻的 x 射線，中間只有太赫茲階段是空出來的，這是一個完全新的頻段，可以做很多事情。

通訊，是關於這一新頻段人類自然而然會想到的事情。目前的 5G（第五代無線通訊技術）中，僅利用了幾 GHz 的電磁波。將來頻帶不夠用的時候，肯定會往幾百 GHz 去發展。6G 未必用得上太赫茲，但是總有一代通訊技術會用到太赫茲去做更高頻率的通訊，帶來的好處是頻寬會更大，傳輸內容更多。

圖 | 基於太赫茲掃描隧道顯微鏡的散射式掃描近場光學顯微鏡（來源：受訪者）

此前科學家在科普太赫茲時，就曾表示一秒鐘三部電影就可以傳輸完成。而目前太赫茲的目標是 100Gbps。

劉盛綱自 20 世紀 90 年代便開始在國內推廣太赫茲技術。國際上最早有一個國際會議，叫紅外毫米波太赫茲會議，迄今已有 47 年曆史，由 MIT 已去世的教授巴頓創辦，他也是首屆上第一位用氣體鐳射器實現太赫茲輻射的科學家。而劉盛綱 1979 年就開始參加這一會議。

20 世紀 90 年代，開始出現太赫茲的概念。自那時起，劉盛綱開始在國內推動太赫茲的應用，他也是國內最早倡導太赫茲的，他自己不願意提 “太赫茲之父” 的名字，更願意說自己是國內太赫茲的旗手和領軍人物。

進入 2000 年以後，隨著太赫茲的儀器裝置慢慢成熟，太赫茲也開始逐漸發展起來。

2005 年，日本把兆兆億太赫茲列為未來十年的十大技術之首。中國自此也開始真正重視太赫茲，並關注到劉盛綱很早就在推廣。基於此，受國家委託劉盛綱主持當年的第 274 次香山科學會議，會議主題正是太赫茲，科技部、教育部和基金委的相關領導也出席了這次會議。

該會議是中國國家重大科學事件的會議，通常在北京香山飯店召開，每次會組織某一個領域的專家，討論國家重大科研的發展和規劃。

在那次會議上，中國認定太赫茲既是前沿科學領域，又是國家重大基礎。此後，國內開始出現太赫茲的相關專案，最早是科技部的 973 專案，後來還有基金委的重大專案等。

2005 年以後，太赫茲也經歷如下幾個階段：第一個是太赫茲的認知階段，這時是利用太赫茲儀器來觀測各種材料及物品的太赫茲基本特徵；接下來是太赫茲發展階段，微波與光學科學家把各自的器件推向太赫茲頻段；在器件做出來以後，大家開始搭建相關係統。以成像系統為例，只要有一個源和探測器就可以成像。目前，太赫茲正處於從科學研究向產業化的邁進的階段。

對生物醫學領域的影響最大

在應用方面，太赫茲對生物醫學的影響可能是最大的，因為很多大分子的轉動振動能落在太赫茲頻段。

圖 | 太赫茲與其他學科的交叉融合（來源：受訪者）

因此可用太赫茲去研究大分子，大分子包括蛋白質等，而蛋白質是人類生命密切相關的產物，很多疾病包括人的生命起源等和此相關。以前研究蛋白質時，使用整個太赫茲波去照的時候沒法看到很小的東西，只能看到組織級別的響應。

圖 | 太赫茲的生物學交叉融合（來源：受訪者）

冷凍電鏡是目前為止人類最高解析度的配套裝置，電子顯微鏡其實看不到樣品的電磁響應。

舉例來說，打上十個電子，利用陰極發射自由電子，然後打到樣品上，這時觀察樣品對電子的響應，它可能彈回來三個，也可能彈回來五個，但是彈回來的樣品電子大小不同，這時就需要對其進行成像。由於電子不一樣，因此會在電子顯微鏡中呈現出不同的影象，在沒有上色之前這張圖基本是一個灰度圖，而這便是樣品電磁響應。

關於電磁波效應，最簡單的是我們看到物體是有顏色的，假如花朵是紅顏色的，這說明本身白光的太陽光照在花朵上，吸收了其他波段的光，最終讓紅光回到人眼，這時即可看到紅花，而這正是物體在光頻段上的電磁響應。

每個頻段都有每個頻段的響應，有些物體可能喜歡太赫茲。在大分子的轉動、振動能級的太赫茲上面，這時用太赫茲去觀察該物體，即可看到類似於顏色的特徵。

圖 | 太赫茲醫學診斷（來源：受訪者）

但是人眼想看到它，就要突破 1/2 波長的極限，這時就要用其他手段。因此，每個頻段的觀察都需要特殊的手段。而太赫茲和電子顯微鏡觀測到的東西也並不相同。

比如，還有一些方法是看到的是力學性質，類似於去摸它時是軟的或者是硬的，這就相當於力學的反饋。辨別物體是紅色或是藍色，則是光學響應。那麼太赫茲響應是什麼，這時也需要一款裝置去觀察它。但由於突破不了 1/2 極限，那就得設法攻克。

攻克太赫茲頻段近場顯微系統

關於太赫茲頻段近場顯微系統的誕生原因，胡旻表示，任何一個頻率的電磁波成像都有不能突破衍射極限。因此需要一些相關技術來突破。

圖 | 太赫茲掃描近場光學顯微鏡（來源：受訪者）

以光為例，大家比較熟悉的可見光是赤橙黃綠青藍紫，大概是幾百奈米的波長，它對應的是不同頻率，光的波長的是幾百個奈米，但其極限只能看到 1/2 波長，大概就是 700 個奈米尺寸的物體。

再小一點的物體比如幾十奈米的物體，光是看不到的。這時就要用各種其他辦法來實現突破，太赫茲的波長非常大，從幾百微米到幾十微米這樣的量級，100 微米大概是一根頭髮絲的長度，因此用太赫茲無法直接觀察頭髮絲。

而近場技術是一種新型技術，它利用原子力顯微鏡，用一個幾十奈米尺寸的細小針尖在樣品表面進行掃描，然後透過一些方法讓太赫茲也能看到幾十奈米尺寸的物體，這便是胡旻研發的太赫茲頻段近場顯微系統。

圖 | 近場實驗裝置圖片（來源：受訪者）

舉例來說，原來用太赫茲波看的話，光斑可能有整個屋子這麼大，但其實只想看到屋裡桌子上的一個茶杯對太赫茲響應。原來辦法是光斑照下來，從而得到整個屋子各種物品的綜合資訊。但現在透過一個非常細小的針尖在屋子裡掃描，就可以看到茶杯的太赫茲響應。

有了這一技術，就可以看到單個蛋白質、單細胞、細菌乃至病毒這樣的尺寸，即能看到單個樣品對太赫茲的響應，所以在生物成像甚至成譜方面都非常有用。

圖 | 團隊成員（來源：受訪者）

最近，在劉盛綱的指導下，胡旻和團隊幹了兩件大事，先是攻克了太赫茲頻段近場顯微系統，後是把紅外毫米波太赫茲國際會議首次引入中國西南，在線上成功舉辦。

回顧過往，2003 年，胡旻從浙江大學畢業，後續來到電子科技大學讀研，自此胡旻就跟著劉盛綱學習，劉盛綱是胡旻的博導，並把後者送到MIT做了一年的博後研究 2012 年在 MIT 做博後時，胡旻師從巴頓的接班人理查德·坦金（Richard J. Temkin）教授。電子科大的太赫茲研究主要是以電子學為主，在該方面也是國內領先。胡旻認為目前太赫茲的應用主要有如下幾方面：成像和安檢、通訊、生物醫學、工業的無損檢測。這幾塊很快將出現商業化產品，甚至可以做產業化。

極強的穿透性是太赫茲的特徵之一，即使面對不透明物體，它也能完成透視成像。電子科大也有相關課題組，正在用太赫茲波對中草藥進行定性定量研究。未來在臨床上，太赫茲有望用於口腔疾病診斷。

目前，該實驗室正在和四川大學華西醫院合作開發太赫茲口腔脫礦檢測儀器。屆時，患者無須拔牙，使用太赫茲即可實現無損檢測，檢測領域包括早期齲齒、牙齒齲壞的深度等。