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| 沙龙第101期活动报道——“太赫兹物理前沿与我所的发展机遇”探讨 |
| 黄志明 | 09-04-07 | 【大 中 小】【打印】【关闭】 |
2009年3月27日，在光电大楼学术沙龙中心举行了第101期沙龙活动。黄志明研究员主持了活动，二十余名科研人员以“太赫兹物理前沿与我所的发展机遇”为主题进行了广泛深入的讨论。
以下为太赫兹技术的发展情况及其应用前景介绍：
太赫兹(THz)波是指频率在0.1—10THz(波长3000—30μm)范围内的电磁波。在频谱图上它位于微波与红外光之间，因而在电磁波频谱中占有很特殊的位置。由于多种原因，特别是THz波源的问题未能很好解决，太赫兹波科学技术的发展受到很大的限制，成为电磁波谱中有待进行全面研究的最后一个频率窗口，被称为电磁波谱中的“THz空隙”。
由于THz所处的特殊电磁波谱的位置，它有很多优越的特性，有非常重要的学术和应用价值(有的已处于实用阶段)，使得全世界各国都给予极大的关注，美国、欧洲和日本尤为重视。
在美国包括常青藤大学在内有数十所大学都在从事THz的研究工作，特别是美国重要的国家实验室，如LLNL、LBNL、SLAC、JPL、BNL、NRL、ALS和ORNL等都在开展THz科学技术的研究工作。美国国家基金会(NSF)、国家航天局(NASA )、能源部(DOE)和国立卫生研究院(NIH )等从20世纪90年代中期开始就对THz研究进行了大规模的投入。
英国的Rutherford国家实验室、剑桥大学、里兹大学、trathclyde大学等十几所大学和科研机构，德国的KFZ、BESSY、Karlsruhe大学、Cohn大学、Hamburg大学等科研院所和高校，都积极开展了THz研究工作。欧洲国家还利用欧盟的资金组织了跨国家、多学科参加的大型合作研究项目。在俄国，国家科学院专门设立了一个THz研究计划，IAP、IGP及一些大学也都在积极开展THz研究工作。
日本于2005年1月8日，公布了日本国十年科技战略规划，提出十项重大关键技术，将THz列为首位。东京大学、京都大学、大阪大学、东北大学、福井大学以及SLLSC、NTT Advanced Technology Corporation等公司都在大力开展THz的研究与开发工作。此外，亚洲的韩国国立汉城大学、浦项科技大学、国立新加坡大学、台湾大学、台湾清华大学等都积极开展THz研究工作，并发表了不少高水平论文。
可见，目前已经在全世界范围内形成了一个THz技术研究高潮。THz波位于宏观电子学与微观光子学的过渡区，具有很多独特的性质:
(1)量子能量和黑体温度很低。
(2)许多生物大分子、有机分子的振动和旋转频率位于THz波段，在THz波段表现出很强的吸收和谐振。
(3)THz波段的辐射能以很小的衰减穿透如陶瓷、脂碳板、布料、塑料等物质，因此可用其探测低浓度极化气体，适用于控制污染，THz辐射可无损穿透墙壁布料，使得其能在某些特殊领域发挥作用。
(4)THz的时域频谱信噪比很高，这使得THz非常适用于成像应用。
(5)带宽很宽(0. 1—10THz)。
(6)可形成很窄的脉冲(飞秒级)。
这些特性决定了THz波具有重要的学术价值和重大的应用前景。
(1) 在无线通信方面，THz特别适合于宽带移动通信及空间通信，是下一代通信技术关注的一个重点。国际通信联盟已指定0. 12THz和0. 22THz的频段分别用于下一代地面无线通信(移动电话)和卫星间通信。另外，在短距离内THz波通信具有很强的抗干扰能力，可实现在局域战争中2—5km内的保密通信。2006年日本已经开发出0. 12THz、1. 5km的无线通信系统，进一步的发展必定进入0. 3THz以上的范围。
(2) 在雷达遥感探测方面，THz波能够实现比微波和毫米波更高的分辨率、更精确的定位和成像，在对军事目标进行侦察、识别及精确制导方面的应用有很大潜力。同时因为有机生物大分子在THz频段都有特征吸收谱，所以THz波也是利用雷达进行遥感探测并预警生化武器威胁的理想工具。目前美国已经建立了机载0. 225THz军用遥感雷达系统，并成功进行了实验。
(3) 在反恐缉毒等国土安全方面，THz波谱成像技术有广泛的应用，包括远距离探测可疑人员是否携带危险物品；从建筑物外部获取墙内信息；快速检测信件和包裹内可能藏匿的毒品和炭疽病毒等有害物质。美国橡树岭国家实验室和田纳西大学合作已开展了基于THz技术的“穿墙计划”。
(4) 在物理学、化学、生物医学、环境科学、天文学和材料科学等学科的基础研究方面，THz波可作为一种特殊而有效的探针，对物质内部进行深入研究，提供关于物质的物理、化学及生物成分、波谱特性、分子、量子互作用过程等重要信息；也是生物分子探测极为重要的新型研究手段。特别是强THz可能诱发物质内部非线性动力过程化学和生物学。THz波段占有宇宙空间近一半的光子能量,可以为天文学研究提供恒星形成、星系演化、宇宙学等各个层次丰富的天体信息，为此，欧美日将合作建设全球最大射电天文亚毫米波干涉阵列 (ALMA计划)。在我国未来的太空研究和探月计划中，THz波也可以提供包括星球表面特性和极区辐射特性的诸多重要信息。
综上所述，THz科学不仅是科学技术发展中的重要基础问题，又是国家新一代信息产业、以及基础科学发展的重大需求，对国民经济以及国防建设具有重大的意义。与此相适应，世界各国都对THz波的研究给予极大的关注，并部署了多个重大的国家级以及国际合作研究计划，取得了一些突破性的成果，有些已具有实用价值。另一方面，国内在THz研究的理论和实验方面也取得了一些重要成果，在国际上产生了一定的影响，为我国THz技术的研究和发展打下了扎实的基础。
在国内，THz科学技术受到政府机构和各科研院校的高度关注。国家科技部、委员会等都给予了一定的支持。特别是2005年以太赫兹科学技术为主题的第270次香山科学会议的召开，大大推动了我国THz科学技术的研究。
1．THz辐射源
有很多方法都可以产生THz源(包括THz量子级联激光器THz-QCL )等)；基于光子学的THz发生器；利用自由电子的源(包括THz真空器件等)；基于高能加速器的THz辐射源等。不同的用途对THz源可能提出不同的要求，有的要求输出功率较大，有的要求有较合适的频率。
(1)半导体THz源
半导体固态THz源具有小巧、价格低廉和频率可调的特点，是人们希望的一种THz源。但半导体器件存在的问题是功率小、工艺复杂以及需要低温系统。半导体THz激光器特别是THz-QCL是目前的发展重点之一。
量子级联激光器(QCL )是以异质结构半导体(如GaAs/AIGaAs)导带中次能级间的跃迁为基础的一种激光器，它利用纵向光学声子的谐振产生粒子数反转。
(2)基于光子学的THz辐射源
飞秒激光脉冲的发展给THz源带来了很大的机遇，已经发展了很多基于飞秒激光脉冲和非线性光学晶体的THz激光源。如THz光导天线、非线性差频、THz参量振荡器和放大器(TPG、TPO)以及光学Cherenkov辐射等等。这种方法产生的THz辐射，可以是脉冲的，也可以是连续波的。
(3)基于真空电子学的THz源
近几年来，随着THz科学技术的迅速发展，利用真空电子学产生THz辐射的研究工作取得了很大的进步，其中包括真空电子器件、电子回旋脉塞、电子激光、Cherenkov辐射等，甚至使用储存环加速器来产生高亮度THz辐射。某些真空电子器件如返波管(BWO)、扩展互作用振荡器( E1O )、绕射辐射器件(orotron)等的工作频率己接近或达到1THz。回旋管可望在1THz产生千瓦级的脉冲输出，平均功率可达几十瓦以上。特别是由CIT的JPL实验室等研究的“纳米速调管”可望在1—3THz频率上工作。纳米速调管结合了电子学、光子学和微加工技术，是很有创新意义的一种新器件。纳米速调管由于使用微加工技术，可以保证每个纳米速调管频率和相位的一致性，因此可以组成纳米速调管阵列，提高输出功率。通过构成THz阵列辐射源是提高THz辐射功率的一个重要途径。
自由电子激光( FEL )可工作于THz波段。自由电子激光的波长主要取决于摇摆器的周期和电子束的能量，可以达到很高的功率。
2．THz波段信号的检测
在THz波段的开发和利用中，信号的检测具有举足轻重的重要意义。因为，一方面，与较短波长相比，THz波段光子能量低，背景噪声常常占据显著的地位；另一方面，为了充分发挥THz系统的作用(例如，发现更微弱的目标、在更远的距离上通信等)，不断提高接收的灵敏度也是必然的追求。在不同的频率应选择不同的检测器：在THz的低端，一般倾向于外差式的检测器；而在THz的高端，直接检测器的灵敏度似乎更胜一筹。
3. THz传导功能器件
为了组成THz系统,例如THz成像和THz波谱等，除了THz源和检测系统外，其内部连接也是非常重要的，所以需要一些功能器件，如传导系统、谐振系统等。目前，已经提出了很多种不同的传导系统，如：THz金属不锈钢波导、THz铁电聚合物(包层)波导( PVDF)、THz塑料带状平面波导、THz单模蓝宝石光纤等。研究发现，简单的直径0. 9mm的金属导线具有非常好的波导性能。
4. THz应用研究
如上文所述，THz波具有非常特殊的优异性质，这决定了其在多方面具有重要的应用，例如：
(1) THz波对衣物、塑料、陶瓷、硅片、木材等一系列物质，具有较好的穿透性能，从而可以探测X射线、可见光和红外不可探测的材料内部缺陷和隐藏物；
(2) 利用适当的小孔或针尖，THz波可以达到较高的空间分辨率，获得微波成像难以得到的高分辨清晰图像；
(3) THz波的光子能量很低，穿过物质时不易发生电离，所以可以进行安全的无损检测；
(4) THz波对水分的吸收很敏感，探测含有水分的物质(例如树叶、生物组织等)时，可以表征水分的含量和分布，从而可以用于生物医学成像和光检测；
(5)不同物质在THz波谱区域具有不同的吸收和色散性质，很多凝聚态物质和生物大分子的振动THz波段，可以通过THz光谱测量获得其特征光谱，用于区分材料的结构和种类等。
随着我国THz科学技术的快速发展，尤其是各检测和传导器件的研发成功，THz遥感、国土安全与反恐、高大气与环境监测、实时生物信息提取以及医学诊断等领域。因此，THz研究与应用对国民经济和国家安全有重大的应用价值。
综上所述，THz科学技术是具有战略意义的交叉学科前沿，既是重大科学项目，又属于国家重大需求。我国THz技术研究工作已经有了一定的基础，并具备了自己的特色。尤其是在以半导体THz源(特别是THz-QCL)和基于光子学的THz源方面成果显著，同时，真空电子学在THz领域具有重要的作用，是我国THz源研究的又一个重要方向。而将光子学和电子学相结合的新途径，将有望使我国在THz源研究上做出原创性贡献。THz探测技术的研究是另外一个重要环节，它和THz源一起，对于THz成像和THz波谱等都是关键。既要重视发展室温的THz检测技术，如各种类型的混频器、直接检测器等，也要重视灵敏度高的、低温的检测系统，要优先鼓励发展新型的或改进国际上已有的检测系统。THz传导及功能部件如波导、传输线、微谐振腔等的研究还亟待加强，需要安排足够的力量进行研究。THz成像技术及THz波谱学在科学研究，特别是在应用上，如在生物医学、物理学、化学、材料科学及天文学等方面的应用还需要进一步的展开。总之，根据我国已有的基础以及我国政府和各科研机构的重视，我国在THz科学技术研究及应用上一定可以取得重要的成果，并在世界THz科学研究中占据一席之地。
（注：本文由本期沙龙主持人黄志明提供）
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