在浩瀚的电磁波谱中，从无线电波到伽马射线，人类已经开发和利用了大量频段。然而，在微波和红外光之间，存在一个神秘的区域，这就是太赫兹波段。它的频率范围比手机、Wi-Fi等用的微波频率更高，但又比红外（比如热成像）低不少。
太赫兹波的频率范围
更有意思的是，太赫兹正悄悄走进一些你想不到的地方：机场安检、工厂质检、医疗辅助检查、文物保护等。很多原本需要“拆开看”“接触测”甚至“上强手段”的环节，太赫兹提供了一种更省事、更温和的新选择。那么，它到底凭什么能做到呢？让我们从太赫兹波的独特之处开始聊起。
太赫兹波的独特之处
太赫兹波属于电磁波，但不同于X射线或可见光，它具有许多独特的物理特性。首先，太赫兹波的光子能量远低于X射线，因此不会对生物组织造成电离损伤，这使它成为一种安全的成像手段。其次，太赫兹波可以穿透许多非金属、非极性的材料，如纸张、衣物、塑料、陶瓷以及部分生物组织，从而揭示肉眼无法直接看到的内部结构。除此之外，许多化学物质在太赫兹波段拥有特征吸收峰，这些“光谱指纹”让太赫兹波不仅能够成像，还能够识别物质的种类和成分。
然而，长期以来太赫兹波的开发十分困难。直到近二十年，随着超快激光、半导体材料以及低温超导技术的突破，太赫兹源和探测器才逐步成熟，为成像应用铺平了道路。
太赫兹成像的工作原理
太赫兹成像的原理可以简单地概括为：利用一种“看不见的光”照射物体，再将透过或反射回来的信号转化为图像。基于太赫兹波的穿透性和光谱特性，太赫兹成像能够在不破坏物体的前提下，获取其表面及内部信息。具体来说，太赫兹波照射到物体后，会发生透射、反射或散射现象。通过探测这些信号的强度、相位和频谱特征，就能重建出目标的二维或三维图像。
微米分辨太赫兹成像示意图
太赫兹成像常采用两种方式：透射成像和反射成像。透射成像类似于X光透视，将太赫兹波穿过样品，通过探测不同区域信号强度的变化，获得内部结构信息。反射成像则更适用于不透明或厚度较大的材料，通过分析表面和近表层的反射信号，甚至可以识别隐藏在表面下的缺陷。
现代太赫兹成像常结合太赫兹时域光谱技术（THz-TDS），即利用超快激光脉冲产生太赫兹脉冲，通过测量回波信号的时间延迟和频谱特征，不仅获得形貌信息，还能获取材料的光谱指纹，实现“看得见”与“辨得清”的双重功能。
太赫兹成像的应用领域
太赫兹成像最广为人知的应用之一是安全检查。在机场安检中，它能够透过衣物检测是否携带违禁品，如金属刀具、塑料炸药、液体瓶等，而且过程快速且无辐射风险，相比传统金属探测器，它还能发现非金属危险品。这种能力为公共安全提供了新的保障，和只对金属敏感的金属探测器相比，太赫兹更有机会发现塑料、陶瓷、粉末等非金属物体。
地铁口太赫兹成像安检图
在医学领域，太赫兹成像凭借对水分的敏感性，可以用于检测皮肤癌、烧伤或龋齿等病变区域。由于水分在太赫兹波段吸收显著，健康组织与病变组织会表现出明显的差异，这为医生提供了一种无创、安全的检测手段。虽然目前仍处于早期研究阶段，但未来太赫兹成像有望应用于皮肤病诊断、药物渗透检测甚至手术辅助。与CT/X光相比，它不提供深部器官的透视能力；与超声、磁共振成像（MRI）相比，它的优势更多在于对表面水分与成分差异的敏感。因此它更可能作为辅助筛查或术中定位工具，而不是直接取代病理检查。
工业检测是太赫兹成像的另一大应用方向。在航空航天领域，复合材料广泛应用于飞机和航天器，但其内部可能存在分层或气泡缺陷。传统检测手段难以做到既无损又高精度，而太赫兹成像则能穿透复合材料并识别内部结构。此外，制药行业也利用太赫兹成像分析药片中有效成分的分布，保证药物质量。在文化遗产保护中，太赫兹波能够穿透油画表层，揭示隐藏的草稿和修复痕迹，为文物修复提供可靠依据。
总结来说，太赫兹成像技术是一种结合光学、电子学和材料科学的新兴成像方法。它不仅能够提供肉眼无法看到的内部结构，还能通过光谱分析识别物质成分，具有安全性高、信息量大的优势。虽然目前仍处于发展阶段，但其潜在价值已经在安检、医疗、工业和文物保护等领域得到验证。随着技术不断进步，太赫兹成像有望在未来发挥越来越重要的作用，成为我们日常生活中的常见工具。
参考资料
[1]李斌，谢立明，黎艳兵，等. 基于太赫兹成像结合压缩感知与超分辨的葵花籽饱满度检测[J]. 农业工程学报，2025，41(3)：263-271.
[2]https://mp.weixin.qq.com/s/D551kSKGLExwdg2ArAH6jA
[3]https://mp.weixin.qq.com/s/1FgW9hMiVGCPUG7fsvORoQ
[4]https://mp.weixin.qq.com/s/95eO0Zivqys5ReMHe_kCzA
[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.
[6]https://mp.weixin.qq.com/s/HdOhNdC2Reth2W6dc1A1sg
来源：蝌蚪五线谱
编辑：小赫Amyyy
转载内容仅代表作者观点
不代表中科院物理所立场
如需转载请联系原公众号
热门跟贴