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1、太赫兹科学技术的新发展刘盛纲http:/ 0）THz（波长为300030微米）范围内的电磁波，1THz=1012Hz。由图1可见，它在长波段与毫米波（亚毫米波）相重合，而在短波段，与红外线相重合下，可见，太赫兹波在电磁波频谱中占有很特殊的位置。由于多种科学技术原因，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，从而使其应用潜能未能发挥出来，如Fi g.2所示。如Fig.1所示，人们提出THz空白（THz Gap）的概念。其实THz Gap可以有以下几方面的意义：1THz所处的位置正好处于科学技术发展相对较好的微波毫米波与红外线光学之间，形成一个相对落后的“空白”。2
2、THz的长波方向，主要依靠电子学（Electronics）科学技术，而THz的短波长方向则主要是光子学(Photonics)科学技术，从而在电子学与光子学之间形成一个Gap。这点具有深刻的物理含义，将在THz源一节中详细讨论。图2（a）表示半导体器件和激光器件（主要是量子级联激光）的工作频率范围。可以看到，所有的半导体器件目前都难以达到THz波段，而量子级联激光的工作频率可以从光波向THz延伸下来。红线表示2002年以后的发展状况。图2（b）则表示真空电子学THz源的发展状况。可以看到：某些真空电子器件的工作频率已经从微波毫米波波段逐步向THz推进，而FEL的频率则不受限制，可以工作在整个TH
3、z波段。要指出的是，真空电子学THz源的迅速发展，也是近几年发生的。 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），使得全世界各国都给予极大的关注。美国、欧州和日本尤为重视。1）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，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)和国家卫生学会(NIH)等从90年代中期开始对THz科技研究进行大规模的投入。2）英国的Rutherf
4、ord国家实验室，剑桥大学、里兹大学、Strathclyde等十几所大学，德国的KFZ，BESSY，Karlsruhe，Cohn，Hamburg及若干所大学，都积极开展THz研究工作。欧洲国家还利用欧盟的资金组织了跨国家的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。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、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
5、京大学、京都大学、大阪大学、东北大学、福井大学以及SLLSC，NTT AdvancedTechnology Corporation，etc等公司都大力开展THz的研究与开发工作。可见，目前已经在全世界范围内形成了一个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
6、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2THz波段的光谱分析和探测汪力专题报告3太赫兹波的应用
7、张存林专题报告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刘盛纲二、太赫兹辐射的主要特征 （1）量子能量和黑体温度很低Wave numberWavelengthFrequencyEnergyBlackbody Temp.1cm-110mm30GHz120µeV1.5K10cm-11mm300GHz1.2meV15K33cm-1300µm1THz4.1meV48K100cm-1100
8、µm3THz12meV140K200cm-150µm6THz25meV290K670cm-115µm20THz83meV960K （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（0.110T）Hz。（6）很短的THz脉冲却有着非常宽的带宽和不同
9、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 CASchmutenmaer教授在今年IRMMWTHz国际会议上做大会特邀报告，题目为“Learning Chemistry and Physics to
10、 Terahertz（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
11、、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T
12、Hz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BTHz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
13、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。CTHz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
14、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（Through wall Program）”，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谱技术检查邮件等项目，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。T
15、Hz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PALRamp SOFI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(Rutherford Appleton Lab（RAL）)及欧洲航天局(ESA)于2002年起，执行Star Ti g
