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姚建铨院士谈太赫兹技术:抢占未来技术的制高点

姚建铨 

天津大学教授,中国科学院院士

编者按:姚建铨院士是目前进行太赫兹前沿技术研究的专家,也是最早呼吁国家大力支持此项研究的策划者之一,在2007年举行的中国光电产业高层论坛以及270次香山会议上,姚建铨院士都在积极呼吁国内的光电企业和有志之士应尽早关注和切入该产业,抢占未来制高点。本文系根据上述会议内容整理所得.

一、THz是国际电子与信息领域重大科学问题
     太赫兹光电子技术被认为是国际电子和信息领域的重大科学问题,是连接宏观电子学和微观波长学的桥梁。THz频率介于0.1THz-10THz(3mm-0.03mm)之间,是介于光子学和电子学的波段,THz技术在电子、信息、生命、国防、航天等方面蕴藏着巨大的应用前景。

首先我们要感谢过去二十年技术的发展,太赫兹技术,特别是源和检测技术已经有了长足的发展并形成现在的市场。根据Thintri公司对这个新兴的市场进行的调研,现在,除了已经建立的天文和用于研究的太赫兹设备市场外,各种太赫兹设备的应用已经开展。NASA用太赫兹技术来探测航天飞机的泡沫绝缘层的裂缝。Teraview的设备已经用于已包装的医疗用品的检测。太赫兹技术在过程控制、产品检测和材料评估等方面有着巨大的潜在市场,而这些也只是未来十年太赫兹技术应用的其中一个方面。

在分析这些应用之前,先了解一下太赫兹技术的特点。

1、THz辐射的特点
能量:约50%的宇宙空间光子能量,大量星际分子的特征谱线在THz范围。
特征:大量有机分子转动和震动跃迁、半导体的子带和微带能量在THz范围,可用于指纹识别和结构表征。
安全性:THz光子能量小,不会引起生物组织的光离化,适合于生物医学成像。
穿透性:THz辐射能穿透非金属和非极性材料,如纺织品、纸板、塑料、木料等包装物,能穿透烟雾和浮尘。

2、受各国政府的支持有重视的先进科学
美国:
     THz技术在美国得到了很大的重视和发展,2004年被列为改变未来世界的十大技术之一,在2006年被列为美国防重点科学,目前美国有多个政府机构和民间企业和机构正在积极研究此项技术,包括美国宇航局(NASA)、美国国防部(DARPA)、NSF、LLNL、LBNL、JPL、BNL、ALS、Bell、IBM等,目前已经研究出的标志性成果是0.225THz机栽雷达。

欧洲:
     欧洲主要有STARTIGER、IST、THz-Bridge、Teravision、NanoTera、WANTED等机构,制定的研究主题有THz辐射成像(2004-2008),分子生物学研究(2004-2009),THz空间天文学(2005-2009),THz遥感(2005-2012),光子带隙材料(2004-2009),微机械探测器(2006-2015)年,标志性成果是研制出THz远距离检测系统(2006年重大项目)。

日本:
     日本政府在2005年1月也把太赫兹技术确立为今后十年内重点开发的“国家支柱技术十大重点战略目标”之首,并列入日本政府从2006年开始到2010年结束的第三期科学技术基本计划予以支持。

除此之外,日本还与欧美合作,成立ALMA计划,建设全球最大的射电天文亚毫米波干涉阵,计划投资10亿美元,每年开展三方研讨会,该计划受到欧美日政府的高度重视。

日本在研制太赫兹技术的标志性成功是2006年研制出1.5公里THz无线通信演示系统,完成世界上首例THz通信演示。

二、为什么要研究THZ技术?
如前所述,太赫兹技术在空间运动目标的侦察、识别、致盲、对抗方面有极大优势,是无线通信和反恐辑毒的有利工具,是生物医学和探测成像的独特手段,这是未来技术的制高点,也是有巨大潜力需求的。

1、国际科技发展中的重要需求

THz是新一代IT产业、通信及雷达技术的基础,在国家安全和反恐战争中面临许多应用,研究的必要性和重大需求牵引意味着THz技术具有极大的科学意义和应用价值。

在空间探测中的应用――比如宇宙的起源和演化,利用Thz观测更遥远的星系;地球环境监测,科研人员利用大气THz微量分子变化来监测全球气候变暖问题;航天器材料无损检测等。

在公共安全检测方面国家也有重大需求,比如检测毒品,以及在要害部门、场所的安全监控。安全方面的应用,包括商业和国防的应用是太赫兹应用中宣传最为广泛的。由于既可以用于成像,又可以用于波谱分析,所以太赫兹系统不仅能够检测出携带有武器的乘机者,还可以检测旅客携带的特殊物品。危险爆炸品,非法走私物品和无害的化妆品,可以通过太赫兹区分。

THz波谱和物体成像应用---  除了空间探测和安全领域,太赫兹在医药、无线通信以及制造业方面也具有巨大的市场潜力。太赫兹辐射在皮肤癌检测上得到应用,并在生物芯片和生物传感器方面发展迅速。太赫兹技术或许在无线通讯,特别是高带宽、安全的校园通讯系统方面也有应用前景。

但是,随着对巨大的太赫兹市场太多的期望,一些夸大的虚假太赫兹应用宣传,包括对太赫兹系统过分的不切实际的评估,对市场发展起到了反作用。由于过分宣传,一些市场观察员和产品制造商对太赫兹技术这一新兴市场的建立的可能性持悲观态度。不过,大多数人还是认为,太赫兹应用仍然具有成为一个重要市场的潜力。

目前,持续的商业发展活动已经广泛开展,但是成功的市场还需要器件和系统的技术发展。例如,量子级联激光器是一种体积小、功率高而且便宜的太赫兹源,但是工作在太赫兹波段需要极低的温度。因此,整个市场的发展还是取决于技术的不断进步。

2、太赫兹技术一些应用实例
     太赫兹技术已经广泛应用到空间研究,比如NASA就将其传统的X射线一起使用,来检查航天飞机Discovery的外部隔热泡沫层。
     太赫兹穿透材料并且提供了内部结构的信息,现存的技术比如X射线和超声波则有可能无法检测到一些内部瑕疵。

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三、时不我待的中国THz研究
     THz是目前物理、化学、生物、材料和医学等诸多学科的前沿研究领域。

1、我国的THz科学研究受到政府和各研究机构的广泛重视:

? 国家科技部

? 自然科学基金委

? 863(民口和军口)

? 第270次香山科学会议将太赫兹科学技术列为主题

大学方面:电子科技大学,天津大学,南京大学,首都师大,中山大学,国防科大,上海交通大学,西安理工大学,深圳大学,南开大学,清华大学等都有THz研究计划。

研究所方面:上海微系统所,中国科学院物理所,中国计量学院太赫兹技术与应用研究所,紫金山天文台,西安光机所,中科院上海应用物理所,半导体所也有研究项目。

2、太赫兹主要的研究题目:
     太赫兹(Terahertz,THz)技术是当今科学技术的前沿研究领域,受到世界发达国家的高度重视。“目前世界各国对太赫兹技术的研究主要集中在THz源、THz发射器和接收器以及THz系统的构建方面。”主要的研究题目包括:

? 太赫兹理论

? 太赫兹辐射源――这是太赫兹领域挑战性科学问题,有效THz辐射源的缺乏是形成"THz空白"的根本原因,辐射源是太赫兹科学研究中最基本、最关键和最急迫的问题,受到国际科学界的高度重视。

? 太赫兹辐射探测器

? 太赫兹辐射传播radiation propagation

? 太赫兹设备

? 太赫兹基础应用研究

? 太赫兹应用

3、对我国发展THz技术研究的建议

? 加强基础研究,特别是加强原创性的研究,建立我国自主创新的THz波研究体系;

? 加强学术交流,加强各单位间的联系,互相取长补短,共同发展;

? 加强与科技领导部门(国家科技部、总装备部等)的联系、汇报,取得支持;

? 建议THz专家委员会尽快联合各相关单位制定我国THz波的研究规划,并提出相应措施等;

? 建立网站,固定THz学术会议间隔,条件成熟立时出版THz刊物等。

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