太赫兹技术发展展望

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1、太赫兹技术发展展望1 太赫兹波简介1.1 太赫兹波发现按传统的分类形式，电磁波分成无线电波、红外线、可见光、紫外线、射线、 射线等。随着对电磁波的深入研究，人们发现在电磁波谱中还有一个很特殊的位置，如图 1.1 所示。这就是太赫兹波即 THz 波（太赫兹波）或称为 THz 射线（太赫兹射线） ，是从上个世纪 80 年代中后期，才被正式命名的，在此以前科学家们将统称为远红外射线。太赫兹波是指频率在 0.1THz 到 10THz 范围的电磁波，波长大概在0.03 到 3mm 范围，介于微波与红外之间。实际上，早在一百年前，就有科学工作者涉及过这一波段。在 1896 年和 1897 年，Rubens

2、 和 Nichols 就涉及到这一波段，红外光谱到达 9um（0.009mm）和 20um（0.02mm） ，之后又有到达50um 的记载。之后的近百年时间，远红外技术取得了许多成果，并且已经产业化。但是涉及太赫兹波段的研究结果和数据非常少，主要是受到有效太赫兹产生源和灵敏探测器的限制，因此这一波段也被称为 THz 间隙。随着 80 年代一系列新技术、新材料的发展，特别是超快技术的发展，使得获得宽带稳定的脉冲 THz 源成为一种准常规技术， THz 技术得以迅速发展，并在实际范围内掀起一股 THz 研究热潮。1.2 太赫兹波的特点目前，国际上对太赫兹辐射已达成如下共识，即太赫兹是一种新的、有很

3、多独特优点的辐射源；太赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿领域，给技术创新、国民经济发展和国家安全提供了一个非常诱人的机遇。（1）量子能量和黑体温度很低：Wave number Wavelength Frequency Energy Blackbody Temp.1cm-1 10mm 30GHz 120eV 1.5K10cm-1 1mm 300GHz 1.2meV 15K33cm-1 300m 1THz 4.1meV 48K100cm-1 100m 3THz 12meV 140K200cm-1 50m 6THz 25meV 290K670cm-1 15m 20THz 83meV 960K（2）许多

4、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寻常的特点。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

5、术发展中的重要基础问题 ,又是国家新一代信息产业、 国家安全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。2 太赫兹波研究现状2.1 国外的 THz 研究现状 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

6、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 Rutherford 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

7、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 C

8、orporation，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。2.2 我国的 THz 研究现状目前我国的 THz 研究也在国内 , 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、 国家自然科学基金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。针对国际上的研究瓶颈问题 ,我国在 THz源、 探测、 成像应用以及传输等领域的理论和实验研究上形成了自己的研究特色 ,并取得了一些重要成果。中科院物理所于 20

9、世纪 90 年代初期就建立了国内第一台时域光谱测量系统 ,是国际上较早开展 THz 研究的单位之一。近年来在超强 THz 脉冲的产生、 THz 脉冲的传播和 THz 波在瞬态光谱分析中的应用等方面开展了卓有成效的研究工作。在 THz 脉冲产生方面 ,他们发现 ,利用飞秒激光脉冲和等离子体相互作用中的激光脉冲静电尾波场 ,通过模式转换可以得到兆瓦级高功率的 THz 辐射 Phys . Rev .Lett . , 94, 095003 (2005) 。这种强 THz 的实现 ,将使人们对 THz 光谱的研究进入非线性领域。他们还发现超短强激光脉冲在大气中传播时 ,从其形成的等离子体通道内也可以产生

10、 THz 辐射。中科院上海微系统与信息技术研究所和上海交通大学自 1996 年起在国内较早地开展了 THz 物理与器件方面的研究工作。在国际上率先成功发展了 THz辐照下的半导体输运平衡方程方法 ,深入细致地研究了 THz 辐射与半导体微结构的相互作用规律,对 THz2 QCL 的基本科学问题进行了深入细致的研究 ,并与加拿大科学家合作研制了 THz2 QCL 原型器件。目前在国内实验室已成功完成 THz2 QCL 的理论设计和性能模拟 ,以及器件的材料生长工作 ,采用自行生长的 THz2 QCL 材料 ,在国外流片上制备的 THz2 QCL 器件已经实现激射 ,其频率为 3.4THz。进一步

11、的研究目标是拓展辐射频率范围、 提高工作温度和输出功率。该研究既属于学术前沿 ,又属于信息领域的重大需求。南开大学现代光学研究所通过多年的学科建设 ,已经建立了“ 飞秒激光创新研究平台 ” 和“ 光纤光学研究平台 ” ,在这两个研究领域具有良好的研究基础和实验条件。他们并基于飞秒激光创新研究平台 ,在国际上率先开展了飞秒激光烧蚀推进、 飞秒激光诱导空气电离显微成像以及超短脉冲激光在微细加工过程中热与非热两种不同作用的探索性实验研究。在光纤激光器研制方面 ,南开大学现代光学研究所是国内最早从事大功率双包层光纤光子器件及其关键技术研究的单位 ,已经出色完成了国家 973 计划项目、 国家自然科学基

12、金重点项目以及国家 863 计划项目各 1 项。这些研究基础和设备条件为进一步开展 THz 源方面的研究工作创造了条件。中科院西安光学精密机械研究所也开展了基于光学技术的大功率 THz 源研究,主要包括研制了集成 THz 发射器和可饱和布拉格反射器 ( S BR)的腔内型 THz2I R 双色辐射源,利用光参量差频技术产生大功率的 THz 辐射 ,以及基于全光纤激光器的 THz 产生技术 ,并开展了光激半导体量子结构中的 THz 动力学过程研究。西安理工大学提出了用非线性光电导方法产生 THz 电磁辐射的方案。其突出的优点是:利用光激发电荷畴的猝灭模式形成 GaAs 光电导天线具有的非线性雪崩

13、电导。利用非线性光电导效应 ,每个入射光子可以产生 103105 个电子空穴对 ,这种载流子的雪崩倍增效应使得在飞秒激光触发下 ,大幅度增强偶极天线辐射 THz 波的功率。国内还有很多大学及科研院所在从事太赫兹技术的研究，如北京师范大学在太赫兹方面的研究取得一定的成果，还有清华大学、东南大学、北京科技大学、北京理工大学等大学都已开始加入到太赫兹的研究行列中，并取得了一定进展，随着时间的推进，政策的倾向，太赫兹的研究定将取得更大的成果。3 太赫兹技术典型应用3.1 太赫兹技术在医疗系统的应用生物分子整体结构与它们在 THz 波段光谱性质的高度相关性是 THzTDS技术应用于生物体系研究的重要微观

14、基础。生物分子对 THz 辐射的响应主要来自于由大分子的构型和构像决定的集体振动模，这种集体振动模反映分子的整体结构信息。THzTDS 技术可以给出分子的振动吸收谱，提供比传统光谱技术更为丰富的分子表征信息。此外，利用 THzTDS 技术还可对蛋白质等易于变性大分子在特定生理过程或其他相互作用过程中发生的构像变化过程进行动态分析。牙科应用龋齿是常见的一种口腔疾病，早期发现和治疗可以阻止龋齿恶化，还可恢复牙齿的形态及功能。但早期龋肯矿物质减少并不明显，通过临床段 x 射线摄片较难诊断“。 。THz 渡作为一种更敏感的成像方法呵以发现早期龋齿。它不仅能准确测试出牙损坏的位置和程度。还可区升牙质和牙

15、釉质，获得牙齿的立体图像。Crawley 等“o 利用 THz 射线对牙齿进行了体外研究，结果发现龋齿对 THz 渡的吸收与正常牙齿差异对比卓为 1：2而 x 射线仅为 2 蹦。因此，THz 披填补了 x 射线和医生肉服 (可见光)之间的重要空白，有望成为牙科 x 射线的替代物。研究表明，THz 渡有望成为术前评价皮肤癌边界、浸润深度的重要工具。Woodward 等 “”二使用 TPI 技术对基底细胞癌患者进行了俸内、外研究。结果发现通过 THz 波成像，癌组织、炎症组织及健康组织分别开来。THz 仅能穿透皮肤 F 儿毫米的地方。迄今为止，THz 射线在医学 r 的廊用还停留在袁皮附近的组织。

16、但成人癌症的 85“。包括皮肤病、乳腺癌、食管癌、结肠癌、膀胱癌、前列腺癌等部是南上皮组织发生，因此研究人员认为使用 TIk 挫可能检测到这些癌症。从右部的照片显示，基底细胞癌。临床照片太赫兹脉冲图像（TPI） ，这表明在肿瘤深度为 100 祄，突出红色，由于高的 THz 吸收相匹配。 太赫兹波技术还有望取代 X 射线应用到透射检查领域，也有希望应用于CT 检查，这样由于太赫兹的低能量性对人产生很小的危害，有效的保护了参检人员的身体健康安全。图 3.1 癌细胞太赫兹脉冲图像 匈牙利国立佩奇大学（theUniversityofP cs）的科学家们已成功的找到了一种能产生超短、高能太赫兹脉冲的方法。目前，他们十分自信的表示，他们完全有可能将这些脉冲电场值提升到 100，这势必会让太赫兹科技进一步发展，并参与更多、更新领域的应用，比如从癌症治疗到半导体研究。采用离子光束用于治疗癌症的辐射治疗被称为粒子治疗，或者更准确的说应该是强子疗法。其工作原理就是通过高能强子光束