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3)在亚洲国家和区域,韩国国立汉城大学、浦项科技大学、国立新加坡大学、XX大学、XX清华大学等都积极开展THz研究工作,并发表了不少有分量的论文。
4)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,NTTAdvanced
TechnologyCorporation,etc.等公司都大力开展THz的研究与开发工作。
可见,目前已经在全世界X围内形成了一个THz技术研究高潮。
本次香山会议的目的是尽可能集中我国的科学技术智慧,研究和讨论THz科学技术及其应用的发展现状和前景,研究和讨论并提出对我国THz科学技术及其应用发展的战略思考和研究工作的意见和建议,供政府领导参考。
因此,本次会议意义重大。
经过慎重研究,本次香山科学会上的报告是这样安排的:
安排了一个主题报告《THz科学技术的新发展》。
在THz科学技术及应用中辐射源和检测技术是两个主要问题。
对这两个方面安排了四个专题报告。
成像和光谱技术对于THz辐射的应用来讲是很关键的,安排了两个专题报告。
真空电子学对THz辐射源可能有很重要的贡献,安排了一个专题报告。
光子晶体在THz波功能器件方面占有重要地位,安排了一个专题报告,会议还安排了THz科学技术在天文学方面的应用的专题报告。
本来很想安排一个有关THz科学技术在生物医学方面应用的专题报告,但因一时无法找到合适的报告专家而未能实现。
但是,与会专家也可临时在会上就某一问题作简短报告。
在这次香山科学会上,专题报告的安排如下:
专题报告1《基于光学及光子学的THz辐射源》姚建铨
专题报告2《THz波段的光谱分析和探测》汪力
专题报告3《太赫兹波的应用》X存林
专题报告4《太赫兹量子级联激光器及其他重要的半导体源》曹俊诚
专题报告5《太赫兹波段信号的检测》吴培亨
专题报告6《太赫兹在天文科学中的应用》史生才
专题报告7《在激光等离子体中产生的超强太赫兹辐射》盛政明
专题报告8《真空电子学对太赫兹源的可能贡献,大功率太赫兹辐射源》X盛纲
二、太赫兹辐射的主要特征
(1)量子能量和黑体温度很低
Wavenumber
Wavelength
Frequency
Energy
BlackbodyTemp.
1cm-1
10mm
30GHz
120&
micro;
eV
1.5K
10cm-1
1mm
300GHz
1.2meV
15K
33cm-1
300&
m
1THz
4.1meV
48K
100cm-1
100&
3THz
12meV
140K
200cm-1
50&
6THz
25meV
290K
670cm-1
15&
20THz
83meV
960K
(2)许多生物大分子,如有机分子的振动和旋转频率都在THz波段,所以在THz波段表现出很强的吸收和谐振。
(3)THz辐射能以很小的衰减穿透物质如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等,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—10T)Hz。
(6)很短的THz脉冲却有着非常宽的带宽和不同寻常的特点。
三、太赫兹的重要战略意义
——重大科技项目,国家重大目标
经过近十几年来的研究,国际科技界公认,THz科学技术是一个非常重要的交叉前沿领域。
由于THz的频率很高(波长比微波小1000陪以上),所以其空间分辨率很高。
又由于脉冲很短(飞秒),THz辐射具有很高的时间分辨率。
THz成像技术及THz波谱技术就构成了THz应用的两个主要关键技术。
另一方面,THz的能量很小,不会对物质产生破坏作用,所以与X射线相比,它又有很大的优势。
Yale大学C.A.Schmutenmaer教授在今年IRMMW—THz国际会议上做大会特邀报告,题目为“LearningChemistryandPhysicstoTerahertz(利用THz重新学习化学和物理学)”。
可见,国际科技界对THz的重视。
国际科技界对THz辐射有以下几点认识:
l、THz辐射是一种新的、有很多独特优点的辐射源。
2、THz技术为科学技术的创新、国民经济发展和国家安全等方面提供了一个非常诱人的机遇。
因此,积极开展THz科学技术的研究工作对我国具有重要的战略意义。
A.科学研究的新的强有力的新方法
(1)THz成像和THz波谱学在物理学、化学、生物医学、天文学、材料科学和环境科学等方面有着极其重要的应用。
(2)THz波不仅可以成像而且可以作为一种特殊而有效的探针,对物质内部进行深入研究,提供关于物质的化学及生物成分、波谱特性、THz标记、量子互作用过程等重要信息。
例如:
利用THz很高的时域分辨率研究CdSe光导量子过渡现象,研究Ti02纳米晶格中载流子的输运过程,以及研究调控原子/分子的无辐射量子跃迁等方面均取得了重要的新成果。
THz量子光学及量子计算机应用及强磁场下半导体的THz辐射等方面都作出了很突出的成就。
利用强功率THz辐射可激发起物质内部原子及分子的非线性动力学过程,从而利用大功率超短脉冲THz可以在分子水平上研究物质的非线性特性。
(3)THz在等离子体检测方面也有重要的优势。
利用THz辐射可以探测出高温、高密度等离子体中密度的空间分布。
THz在天文学研究上的应用显得很突出,科学家们在南极建立了一个移动天文站,利用THz望远镜观察到很多重要的新星体,对于研究宇宙的起源和星体的形成有重要的意义(值得一提的是我国在2005年初,也在南极建立了一个研究站)。
因此,国际科技界认为,THz辐射可能引发科学技术的革命性发展
B.THz技术对国民经济发展将起着重要的推动作用
(1)THz在生物医学上的应用具有很大的吸引力。
在皮肤癌的诊断和治疗,DNA的探测,THz的医学应用,THz断层成像,THz生物化学应用,药物的分析和检测等方面都显示了其强大的功能和成效。
基于对蛋白质及基因特性等的研究,可建立起THz生物分子诊断技术。
从而极大推动分子生物学的发展,并在医疗及药品的研制鉴定方面有很大的应用前景。
(2)由于生物大分子的振动和转动频率均在THz波段,而THz辐射技术又可提取DNA的重要信息,因此,THz在植物,特别是粮食选种,优良菌种的选择等方面可以起重要的作用。
总之太赫兹科学技术对农业、食品加工等行业有重要意义。
THz在生物医学上有广泛的应用前景,下图表示在THz对皮肤癌的诊断和应用。
(3)THz辐射可以穿透烟雾,又可检测出有毒或有害分子,所以在环境监测和保护方面可以发挥重要作用。
据报道,THz环境监控设备(利用CO2激光作为泵源产生的2.5THz)已安装在美国卫星上。
C.THz在国家安全、反恐方面的应用有着独特的优势
(1)利用THz可以穿透物质的特性,英国首先研制了THz摄像机并且已在机场安全检查方面进行试用,效果很好。
特别重要的是美国橡树岭国家实验室(ORNL)和田纳西大学合作,开展“穿墙计划(ThroughwallProgram)”,利用THz成像技术从外部获得墙内信息。
显然,这项穿墙技术在国家安全方面有很重要的价值
此外,利用THz波谱可以快速、有效的检查和识别毒品,美国已开展用THz谱技术检查等项目,包括THz化学和生物制品的检测。
(2)THz在雷达和通信等方面的应用也有很大的潜力。
THz在太空通信方面的巨大优势是没有疑问的。
THz的大气窗口也已研究过(图6所示)。
THz雷达在反隐身方面有特殊的功能。
下面的报告中会谈到大功率THz辐射源的问题,这方面的研究工作是为THz雷达等做准备的。
THz卫星太空成像和通信技术可能是今后大国关注的重要领域。
(3)THz应用于航天飞机可能故障的探测
哥伦比亚号航天飞机失事之后不久,根据航天飞机发射时拍摄的录像资料,提出了对失事原因的分析。
美国一个实验室已进行了实验。
所采用的THz脉冲中心频率为lTHz,频带宽度为3THz。
经过多次实验,尤其是最近的对PAL~RampSOFI绝热泡沫层的成功探测,充分证明THz脉冲的确可以对航天飞机进行有效的无损探伤。
我国太空发展计划肯定会需要这样的技术。
D、THz科学技术是新一代IT产业的基础
(1)科学家们预计,一旦THz辐射源、THz检测技术等发展以后,THz可以在现代IT科学技术和工业领域有极强的竞争力。
下面将要说明这种竞争实际上已经开始。
(2)随着THz科学技术的发展,很多高科技公司相继诞生,例如:
英国Rultherford国家实验室(RutherfordAppletonLab(RAL))及欧洲航天局(ESA)于2002年起,执行StarTiger计划成功后,建立了一个公司ThruVision公司,专门从事有关THz成像的商品化工作,开发出被动式THz成像仪,有以下特点:
a.被动式不需要THz源;
b.可实时成像。
英国剑桥大学孵化出(Spinoff)一个高科技公司一TeraViewLtd.从事THz摄像机的开发;
(3)美国Michigen大学及Stanford大学孵化出Pietrix;
PhysicalscienceInc.;
CalabazasCreekRes.Inc.等公司。
基地设在加州的Pietrix公司的任务是“将THz科学技术交给政府及大学实验室手中,以便他们用于各项研究工作”。
(4)日本也有很多公司,它们已经在从事包括高功率THz源在内的有关THz科学技术的研究、开发及成果的商业化等工作。
可见,以THz科学技术为基础的新一代IT产业已开始逐步形成。
E.研究THz技术本身就是一门重要的学科
如各种THz辐射的产生机制、超短脉冲THz的传播和传输、THz与物质的相互作用等。
下面给出几幅THz成像及THz波谱的结构框图。
其中,有一幅是JPL研制的150微米的THz成像框图。
由这些框图可以看到THz成像和THz波谱的发展和应用。
同时也可以看到为了建立THz成像和THz波谱需要研究哪些THz器件和元件,如:
THz源,THz检测,混频,THz传输、谐振等,以构成一个完整的THz成像和THz波谱系统。
从下节起,我们将讨论这些器件和元件。
四、太赫兹辐射源
有很多方法都可以产生THz辐射。
(1)半导体THz源(包括THz量子级联激光器等)。
(2)基于光子学的THz发生器。
(3)利用自由电子的THz辐射源(包括THz真空器件,电子回旋脉塞和自由电子激光)。
(4)基于高能加速器的THz辐射源
不同的用途对THz源可能提出不同的要求。
有点要求输出功率较大,有的要求有较合适的频率。
2002年在Nature上发表了两篇THz源的重要文章。
这两篇文章对THz源的发展起到了很大的推动作用。
(1)“Terahertz
semiconductorheterostructure
laser”,Nature417,156-159,2002.ByItalianandUKScientists,RadiomenKiblenetc,ItisconsideredasabreakthroughintheQuantumcascadelasers.
(2)“High
power
Terahertz
Radiation
FromRelativisticElectronics”,Nature420,153—156,2002,这篇文章被Nature编辑部确定为“研究亮点(Researchhighlights)”.这项工作是由以下三个美国国家实验室:
LawrenceLivermoe,BrookhavenandJeffersanNationalLabs完成的。
两篇文章中一篇是有关量子级联激光的突破,这是一种非常重要的半导体THz辐射源。
另一篇是基于自由电子的有关高功率THz辐射的,结合了光子学和电子学技术。
1、半导体太赫兹源
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。
但半导体器件的工作频率难于达到1THz以上,而半导体THz激光器,特别是THz量子级联激光器是目前的发展重点之一。
第一篇关于量子级联激光的文章有MelvinLax等发表于1960年,其后于1994年起,Bell实验室的J.Faist做了很多有益的工作(Science,264,22,1994)。
在俄国这方面的工作也做了不少(Kazarinov,Sov.Phys.Semi.5,207,1971),但实验长期没有突破。
朗讯曾把QCL作为一个研发重点,但没有结果。
直至2002年由英国和意大利科学家获得突破(Nature417,156-159,2002)。
量子级联激光器(QCL)是以异结构半导体(GaAs/AIGaAs)的导带中的次能级间的跃迁为基础的一种激光器。
利用纵向光学声子的谐振产生粒子数反转。
2002年的结果是频率4.4THz,温度50K,脉冲功率20mW。
此后,很多国家都积极开展QCL的研究工作,采用了不同的材料。
到2004年,美国MIT最新的结果是:
2.1THz,CW功率lmW(温度93K),脉冲功率为20mW(温度137K)。
到2005年,MIT
QCL已经用于THz成像,可见THz技术发展的速度比我们想象的要快得多。
在我国,中国电子集团XX55所,渡越雪崩二极管可以做到0.1THz。
中国科学院XX微系统研究所和中国科学院半导体研究所,已开展QCL的研究工作并已作出一定的成果。
半导体THz辐射源已安排了一个专题报告进行详细论述。
2、基于光子学的太赫兹辐射源
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、光整流、非线性差频、THz参量振荡器和放大器(TPG,TPO,TPA)和光学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。
下图表示光脉冲通过非线性光学晶体产生THz辐射的典型情况。
差频发生器(DEG),是一个三波混频非线性过程。
这方面的研究工作,我国XX大学等单位,也已开展了研究工作,并作出了一定的成果。
详细内容将在专题报告中给出。
3、基于真空电子学的太赫兹源
近儿年来,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、自由电子激光、Cherenkov辐射,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,所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,以大大提高输出功率。
利用构成THz阵列辐射源是提高THz辐射功率的一个重要途径。
自由电子激光可工作于THz。
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:
λ≈λω/4γ2
γ=(1-β2)-1
β=v/c
其中λw是摇摆器周期,
γ是相对论因子。
今年1月13一14日,在美国Honolulu召开的THz辐射源研讨会上,报告了一篇用lMeV静电加速器的FEI,可以在2mm到500微米,(0.15—6)THz,产生lkW的准连续波输出,这一结果被认为是迄今为止最重要的成果之一。
2002年,在Nature上发表的另一篇论文体现了电子学和光子学相结合的方法。
利用飞秒激光照射GaAs光学晶体,发射出电子束,再用加速器将电子束加速到40MeV。
电子在磁场作用下作旋转运动从而发射出THz辐射,由于电子束的尺度远小于波长,所以辐射是相干的。
实验结果可以得到20w连续波的THz辐射。
所以,如前所述,Nature编辑部将这篇文章定为研究亮点。
我国真空电子器件已有相当好的基础,回旋管的研究工作已在电子科技大学和中科院电子所进行,在0.1THz已作出近100KW脉冲输出的回旋管。
FEL己在中科院高能物理所、中国工程物理研究院、大学和电子科技大学进行,并取得一定的成果。
利用自由电子产生THz辐射的详细论述将在另一专题报告中给出。
五、太赫兹波段信号的检测
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、在更远的距离上通讯等等),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。
有关的简况和进一步发展的建议如下。
脉冲THz信号检测的两种方法:
(a)光导天线;
(b)电光取样。
CWTHz信号的检测
1.超外差式检测器(对于频率稍低而谱线分辨率十分重要的场合)
a)室温肖特基二极管混频器,目前的一般水平是本振功率0.5mW(单管)或3-5mW(多管)。
辐射计的最小可检测温度是0.05K(500GHz)或0.5K(2500GHz),积分时间1秒,带宽1GHz。
今后应着重于降低其噪声和所需的本振功率。
b)超导体一绝缘体一超导体(SIS)结混频器,以及以之为前端的接收机多用在100—700GHz的频率X围,最近已推进到1200GHz,并将在2007年用于空间飞行(FIRST,全称FarInfraRedandSubmillimeterspaceTelescope;
现改称EuropeanSpaceAgency’sHerschel)。
c)热电子测热电阻(HEB)混频器,以Nb,NbN,NbTiN,Al,YBCO等材料制成尺寸为微米量级的微桥,THz信号的热效应,使它们有灵敏的响应,响应时间也极快(快声子或电子扩散的机制)。
比SIS结混频器的工作频率更高。
作为混频器使用,电压响应是在皮秒的量级,因此中频可以达到几千兆,甚至15千兆(取决于材料、尺寸、冷却机制)。
目前工作频率已高达5THz,噪声温度约为量子极限的10倍左右,本振功率1—100nW的量级。
热电子测热辐射计(HEB):
金属在低温下的热容很小,声子与电子系统是去耦的。
外加的辐射只加热电子,其温升可以测出。
肖特基二极管混频器室温高灵敏超外差检测技术
具体的器件
2.直接检测器(对于频率更高但并不需要极高的谱线分辨率的场合)
a)室温的直接检测器,种类很多,如:
小面积GaAs肖特基二极管用作天线耦合的平方率检测器;
直接吸收热量后引起电阻变化的普通铋测热电阻;
有温度计和读出电路与辐射吸收器集成在一起的复合测热电阻(铋、碲);
高兰泡(充气室内吸收热之后,体积有变化,使镜子偏转,用光放大器测出);
声测热电阻(用光声检测器测出气泡受热后压力的变化);
微测热电阻(用天线把功率耦合到小的吸热区域);
快速量热计;
等等。
目前,这类直接检测器的标定是很大的问题,响应时间约为秒的量级;
灵敏度不高(几微伏)。
我们今后的工作应该是:
改进和用好已有的器件,使之符合我们的研究的需要
b)冷却的直接检测器,其中,目前已有商品的如:
液氦冷却的硅、锗或InSb复合测热电阻,响应时间微秒的量级,4K时噪声等效功率(NEP)约为10-13W/√Hz的量级,冷到毫度时有很大的改进。
不少商品的红外检测器对THz也能响应。
在冷却的直接检测器方面,还有一些目前没有商品的,如:
超导转变边缘测热电阻(超导薄膜条偏置在超导一正常转变的边缘);
悬置的微加工的硅条镀以铋,以获得理想的电阻一温度特性,并由此制成阵列;
超导一绝缘一正常金属(SIN)隧道结复合测热电阻。
这些检测器的NEP约为10-17到10-18W/√Hz的量级。
超导热电子测热电阻(HEB)也可用于转变边缘检测器,NEP约为10-20w/√Hz的量级。
提出新型的THz波检测结构或改进国际上虽已着手研究但尚有许多改进余地的器件。
鼓励研究THz信号于物质的相互作用,从中发现新的物理效应,据以研制THz信号检测器,注意国际上研究工作的新动向(例如,用高磁场中冷却至50mk的单电子晶体管和量子点,探测入射的THz光子)。
研制以超导体-绝缘体-超导体(SIS)结混频器、热电子测热电阻(HEB)混频器为前级的THz波段接收机,实际使用于
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