胡旻（右）在兵馬俑坑道里用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)分析文物。 受訪者供圖

胡旻（左二）等人在克孜爾石窟內(nèi)探查。 受訪者供圖

團(tuán)隊(duì)用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)分析兵馬俑。 受訪者供圖

　　蒼茫大漠，在渭干河谷北岸的懸崖邊，千年壁畫(huà)靜默無(wú)言，前沿科技正悄然揭開(kāi)歷史的面紗。克孜爾石窟是中國(guó)開(kāi)鑿最早、地理位置最西的大型石窟群，現(xiàn)存壁畫(huà)面積約1萬(wàn)平方米。近段時(shí)間，電子科技大學(xué)教授胡旻團(tuán)隊(duì)，與浙江大學(xué)教授張暉團(tuán)隊(duì)，正在石窟內(nèi)探尋那些肉眼無(wú)法揭開(kāi)的秘密。其中的關(guān)鍵，是太赫茲成像技術(shù)。

　　在克孜爾石窟內(nèi)，僧眾居住的場(chǎng)所因長(zhǎng)年累月的燒火生活，原本繪制了精美壁畫(huà)的墻體和窟頂被一層層灰黑煙塵覆蓋?！疤掌澇上窦夹g(shù)可以無(wú)損穿透表層，讓隱入歷史塵煙的文物重新‘開(kāi)口’，揭開(kāi)始于東漢末年的秘密?！焙鷷F說(shuō)道。

　　是什么？

　　具有迷人的透視性 被譽(yù)為未來(lái)的“黑科技”

　　太赫茲波位于微波和紅外波之間，是電磁波譜中人類(lèi)研究最少、開(kāi)發(fā)最晚的波段，被譽(yù)為改變未來(lái)世界的十大技術(shù)之一。

　　直到20世紀(jì)七八十年代，太赫茲才作為獨(dú)立波段被正式定義。在此之前，它在光學(xué)領(lǐng)域被稱(chēng)為遠(yuǎn)紅外線，在電子學(xué)領(lǐng)域則被稱(chēng)為亞毫米波或超微波。

　　透視性是太赫茲最迷人的特性之一。像微波輻射一樣，太赫茲可以穿透很多介電材料、非極性液體和非導(dǎo)電材料，如衣服、紙張、木材、磚石、塑料、陶瓷等，而且對(duì)金屬物體具有強(qiáng)烈的反射性。太赫茲光子的能量很低，是X射線的萬(wàn)分之一，不會(huì)因?yàn)殡婋x而破壞被檢測(cè)物質(zhì)?；诖?，研究了太赫茲20余年，胡旻帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在文物保護(hù)和考古研究領(lǐng)域，開(kāi)辟出更多新的應(yīng)用場(chǎng)景。

　　胡旻介紹，太赫茲相比X射線，對(duì)物體分層更為敏感。太赫茲脈沖輻射擁有皮秒級(jí)脈寬，能有效進(jìn)行時(shí)間分辨研究。也就是說(shuō)，不用接觸、無(wú)需切開(kāi)文物，可以根據(jù)物質(zhì)層次間反射信號(hào)，獲得內(nèi)部層位信息，實(shí)現(xiàn)三維成像。

　　在胡旻的電腦上，一張張應(yīng)用太赫茲技術(shù)呈現(xiàn)的畫(huà)像輪廓清晰可見(jiàn)。他表示，“太赫茲考古”早在上世紀(jì)90年代開(kāi)始萌芽。2013年，西班牙的科學(xué)家利用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)，對(duì)被顏料和漆層“遮蓋”的《獻(xiàn)給維斯塔的祭品》畫(huà)作進(jìn)行掃描成像分析，在畫(huà)作表層下發(fā)現(xiàn)了一處早期的鉛筆痕跡。經(jīng)對(duì)比，這是藝術(shù)家戈雅的簽名。此發(fā)現(xiàn)，確認(rèn)了此畫(huà)為戈雅的作品。而這次研究，也被認(rèn)為是太赫茲技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)典案例。

　　除此以外，很多大分子的轉(zhuǎn)振動(dòng)能力處于太赫茲波段，其太赫茲光譜包含著豐富的分子結(jié)構(gòu)信息，就像每個(gè)人的指紋都是獨(dú)一無(wú)二的，對(duì)于太赫茲波來(lái)說(shuō)，物體也有專(zhuān)屬“指紋”——不同物質(zhì)分子所呈現(xiàn)的吸收特征也不一樣，因此被稱(chēng)為“太赫茲指紋譜”。利用此特性，研究團(tuán)隊(duì)可以對(duì)漆器、壁畫(huà)、泥塑等進(jìn)行檢測(cè)，包括對(duì)脂類(lèi)涂層、顏料成分進(jìn)行分析。

　　胡旻舉例說(shuō)，在克孜爾石窟壁畫(huà)中，紅色的呈現(xiàn)往往是朱砂、鉛丹，或者二者混合，利用太赫茲技術(shù)，能夠準(zhǔn)確得知顏料使用情況，借此作為文物創(chuàng)作時(shí)期的評(píng)價(jià)依據(jù)之一，也能更好地還原被煙灰覆蓋的畫(huà)像模樣。

　　據(jù)悉，2007年，日本建立了首個(gè)在太赫茲波段的文物原料開(kāi)放數(shù)據(jù)庫(kù)，世界多個(gè)研究組不斷測(cè)試補(bǔ)充不同藝術(shù)品材料的太赫茲光譜數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)已收錄超1500條光譜數(shù)據(jù)。

　　如何用？

　　太赫茲+考古 揭開(kāi)文物“隱藏”的秘密

　　要實(shí)現(xiàn)太赫茲技術(shù)在文物研究中的應(yīng)用，先進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備至關(guān)重要。在太赫茲研究中心實(shí)驗(yàn)室，記者見(jiàn)到了太赫茲無(wú)損檢測(cè)裝置。裝置的核心部分是時(shí)域光譜儀和控制著檢測(cè)探頭的機(jī)械臂，內(nèi)部程序由胡旻團(tuán)隊(duì)聯(lián)合覓幾科技自主開(kāi)發(fā)完成。指著兩個(gè)如拇指大小的器件，胡旻解釋?zhuān)骸斑@是關(guān)鍵部分，用于發(fā)射和接收太赫茲波。”系統(tǒng)啟動(dòng)后，機(jī)械臂會(huì)根據(jù)算法規(guī)劃路徑，沿著下方文物的法線，非接觸逐點(diǎn)掃描。運(yùn)行中，機(jī)械臂會(huì)保持發(fā)射端—接收頭與物品表面垂直，探針上下高頻抖動(dòng)發(fā)射太赫茲波。

　　目前，太赫茲技術(shù)已在多項(xiàng)重大考古項(xiàng)目中取得成效。2019年，胡旻團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)張暉團(tuán)隊(duì)、四川省文物考古研究院、三星堆博物館合作，對(duì)出土的青銅器的銹層進(jìn)行測(cè)量?！斑@是全球首次通過(guò)太赫茲，對(duì)青銅文物進(jìn)行三維層析成像分析?！焙鷷F表示。

　　2024年12月，胡旻團(tuán)隊(duì)參與了西安秦兵馬俑2號(hào)坑考古工作。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地采用可見(jiàn)光-太赫茲的光電融合無(wú)損檢測(cè)方式，對(duì)相關(guān)文物進(jìn)行精準(zhǔn)探測(cè)和分析。據(jù)團(tuán)隊(duì)成員反饋，現(xiàn)場(chǎng)專(zhuān)家對(duì)檢測(cè)效果給予了高度評(píng)價(jià)，不僅清晰地呈現(xiàn)了文物細(xì)節(jié)特征，還能較為準(zhǔn)確地識(shí)別文物內(nèi)部結(jié)構(gòu)、成分及潛在缺陷，為文物保護(hù)提供了全新的技術(shù)支持。

　　不久前，“探元計(jì)劃2024”共創(chuàng)落地型賽道榜單正式發(fā)布，團(tuán)隊(duì)入選新疆克孜爾石窟文化場(chǎng)景共創(chuàng)。該項(xiàng)目采用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)，對(duì)克孜爾石窟第161窟煙熏覆蓋壁畫(huà)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)、圖像識(shí)別及虛擬復(fù)原。

　　胡旻透露，此次在克孜爾石窟太赫茲?rùn)z測(cè)，涉及的石窟面積較大，工作或?qū)⒊掷m(xù)到夏天。特別是基于太赫茲波功率低的“短板”，團(tuán)隊(duì)正在奮力解決高功率輻射源的問(wèn)題?！暗凸β市盘?hào)穿透力弱，會(huì)限制材料分析的深度、精度，以及成像分辨率，影響成像效果?！眹?guó)外傳統(tǒng)的太赫茲時(shí)域光譜成像技術(shù)，最多看到300微米的物體，頭發(fā)絲都難以識(shí)別。胡旻團(tuán)隊(duì)引入近場(chǎng)技術(shù)，將太赫茲系統(tǒng)與原子力顯微鏡結(jié)合，通過(guò)搭建真空輻射源，改進(jìn)光路零件和反射鏡等，逐步制作了國(guó)內(nèi)首個(gè)基于大功率輻射源的太赫茲散射式掃描近場(chǎng)顯微系統(tǒng)，成像水平精度達(dá)到20納米?！斑@對(duì)于后續(xù)的文物保護(hù)工作將大有裨益?！焙鷷F說(shuō)道。

　　前景如何？

　　在天文、通信、生物診斷等領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用前景

　　目前，太赫茲技術(shù)仍處于探索階段，在天文、通信、生物診斷等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。2019年，科學(xué)家首次觀測(cè)到黑洞，就是在太赫茲天文望遠(yuǎn)鏡下實(shí)現(xiàn)的。

　　太赫茲成像實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)的分辨率，為生物診斷提供一種全新的辨識(shí)方法。舉例來(lái)說(shuō)，口腔齲齒檢測(cè)診斷，可以通過(guò)太赫茲進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，無(wú)須拔牙，就能檢測(cè)出牙齒表層下的齲齒白斑，以及齲壞的深度。

　　胡旻介紹，太赫茲波具有比無(wú)線電波更高的頻率，這使它們能夠傳輸更多信息?！八梢宰鳛閺?qiáng)大的工具，在未來(lái)網(wǎng)絡(luò)中快速傳輸大量數(shù)據(jù)?！睋?jù)悉，全球首份6G白皮書(shū)，將太赫茲技術(shù)作為通信解決方案的突破口。

　　然而，太赫茲的物理缺點(diǎn)同樣突出——它會(huì)很快被空氣中的水蒸氣吸收，在銅等常用電子材料中會(huì)受到損耗。有學(xué)者認(rèn)為，隨著技術(shù)發(fā)展，后續(xù)可以通過(guò)使用低損耗材料、優(yōu)化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、提高發(fā)射功率等，有效應(yīng)對(duì)太赫茲波在大氣吸收和材料損耗方面的挑戰(zhàn)。

　　除此之外，太赫茲雷達(dá)作為前沿技術(shù)，同樣具有巨大的應(yīng)用潛力。

　　在軍事領(lǐng)域，太赫茲雷達(dá)能夠“透視”飛機(jī)表面的“隱身衣”，有效探測(cè)到目標(biāo)；其高分辨率，可以在精確制導(dǎo)、戰(zhàn)場(chǎng)偵察等方面發(fā)揮作用，在防空反導(dǎo)中，精確地識(shí)別和跟蹤來(lái)襲目標(biāo)，提高防御效能。

　　在航空領(lǐng)域，太赫茲雷達(dá)可用于飛行器的導(dǎo)航和防撞。相比傳統(tǒng)雷達(dá)，能提供更精確的位置和速度信息，提升飛行安全。

　　“我們正在持續(xù)進(jìn)行對(duì)太赫茲技術(shù)自主創(chuàng)新研發(fā)?！睂?duì)于未來(lái)，胡旻信心十足。

□四川日?qǐng)?bào)全媒體記者 蘭珍

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