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太赫兹技术发展展望

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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、α射线、γ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、有很多

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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-110mm30GHz120μeV 1.5K

10cm-11mm300GHz 1.2meV15K

33cm-1300μm1THz 4.1meV48K

100cm-1100μm3THz12meV140K

200cm-150μm6THz25meV290K

670cm-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(0.1—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。

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、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 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。

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电导。利用非线性光电导效应,每个入射光子可以产生103—105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THz—TDS 技术应用于生物体系研究的重要微观基础。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。THz—TDS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THz—TDS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。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(theUniversityofPécs)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,如质子或离子,对癌细胞进行照射,以达到消灭病灶的目的。为什么离子光束比X射线或Gamma射线在癌症治疗上更有优势?主要原因是因为它们不同的吸收特性。离子光束仅仅能被人体组织内部较深部分所吸收,除此以外,其它部分的组织均不受影响。而Gamma 射线则符合指数衰减规律,因此它对于表层的细胞作用更大,从而往往伤害肿瘤外层的健康组织。

应用高场能太赫兹脉冲技术来进行癌症治疗,目前佩奇大学的研究人员已经在这一领域申请了一些专利。希望今后的研究能进一步深入,让全世界的更多的癌症病患减轻痛苦,早日康复。

3.2 太赫兹技术在安全检查系统中的应用

现在大多数安检地方使用的都是红外线安检仪,而且不能应用于人体检查,对于人体检查只能使用手持安检仪或徒手安检,这样效率很低而且准确又不是很高。随着自由电子激光器和超快技术的发展,为太赫兹脉冲的产生提供了稳定可靠的激发光源,太赫兹成像技术主要在两个方面开展研究,逐点扫描大赫兹成像技术和远红外焦平面阵列的太赫兹成像技术,目前已取得了一些进展,最佳效果已达到对几十米远的人物进行了太赫兹成像拍摄,现在正研究加大太赫兹射线功率,期望对数百米外的人物进行太赫兹成像,以满足军方和反恐的要求。

据报道,中国电科技38所研发的太赫兹安检技术已取得关键性进展,首台样机即将于年内面世。太赫兹安检技术将主要应用于机场、海关、地铁、文化遗产等重要建筑物以及大型活动现场的安全检查,可以快速准确地检测出是否有人携带武器、毒品、爆炸物等违禁品,有效保障大众的生命财产安全。下图是一名"恐怖分子"身体藏枪通过太赫兹安检仪安检效果如图3.2所示。

太赫兹安检仪对人体的伤害是X设计的几千分之一,所以几乎对人体不造成伤害,美国运输安全管理局计划3年内全国普及太赫兹安检仪,欧洲则已经逐步展开全面禁止用X射线扫描人体的计划,大量部署太赫兹安检仪。在国内机场,我们暂时还无法看到太赫兹安检仪,不过在接受《第一财经周刊》采访时,首都师范大学太赫兹实验室的相关负责人透露,目前原型机已经制造完毕,预计2013年会有第一批商用产品投入市场。

图3.2 太赫兹安检效果图

3.3 太赫兹在通讯领域的应用

THz波介于微波与远红外光之间,处于电子学向光子学的过渡领域,它集成了微波通信与光通信的优点,同时相比较2种现有通信手段,THz波表现出了一些特有的优良性质。

相比较于微波通信而言:

1)THz通信传输的容量大,THz波的频段在108~1013 Hz之间,比微波通信高出l~4个数量级,可提供高达10 Gb/s的无线传输速率,比当前的超宽带技术快几百甚至上千倍;

2)2)THz波束更窄,方向性更好,可以探测更小的目标以及更精确地定位;

3)THz波具有更好的保密性及抗干扰能力;

4)由于THz波波长相对更短,在完成同样功能的情况下,天线的尺寸可以做得更小,其他的系统结构也可以做得更加简单、经济。

相比较于光通信而言:

1)THz光子能量低,只有10~eV,这大概是光子能量的1/40,因此,相比于光通信而言,能量效率更高;

2)THz波具有很好的穿透沙尘烟雾的能力,因此可以在大风沙尘以及浓烟等恶劣环境下进行正常通信工作。当然,如图3.3所示,THz波在通过大气时,水蒸气等导致的强吸收使得其效率较低,以及在目前的THz源中相对低的发射功率会给太赫兹通信带来明显的不利。但是,随着高功率THz光源、高灵敏度的探测

技术及高稳定性的系统日益突破,占有很多独特优势的太赫兹通信必将指日可待。

图3.3太赫兹波普范围大气衰减图

据估计太赫兹带宽会让移动电话快1000倍,忘掉3G和4G吧!事实上,一块忘记吉赫兹频率吧---匹兹堡大学的研究者说他们已经成功地设计了一种千倍速度传输数据的方法。

这个由匹兹堡大学Kenneth P.Dietrich艺术与科学学院的物理化学教授Hrvoje Petek领导的小组,成功地研发了一种他们称之为“频率梳”的器件,并宣称“它通过在半导体硅晶体中激励相关原子团而可以产生超过100太赫兹(THz)的带宽”。

频率梳是通过“单色光射入空间均匀的光谱线”而产生的。

这意味着Petek和他的同事研制了一种理论上可以在太赫兹频率范围内将数据传输到诸如手机和电脑等装置中去的结构---而且在实验过程中还发现发射光在15.6THz频率处反射光的振荡。这项研究已出版于3月4号的自然光学期刊上,并总结成文于匹兹堡大学的网站上。

Petek说他们的团队发现了“太赫兹带宽的物理基础”,可能被用于平衡“红外线和微波之间的电磁波谱”,以比今天传统的带宽限制在吉赫兹内的无线电子技术快了几个数量级的速度来传输信号。

“与今天的技术相比,用这种带宽来调制光波的能力能够数千倍的增加信息的携带量”,Petek说道:“不用说,这是本领域中翘首企盼的一项重大发现”。

科学家们使用硅进行研究,硅是用来制造计算机处理技术核心半导体的材料。Petek说他的团队预期在实验中达到15.6THz的频率,这是“硅晶格下最高的原子机械频率”。

匹兹堡大学的研究者们实际上还有更高的追求,更确切地说,是更快的追求。通过研究电子的相干振荡,Petek和他的同事们相信他们能够在千兆频率范围内利用“轻物质互作用”,或者比他们已经得到的太赫兹振荡快1000倍的速度。这将对移动通信和网络传输领域带来一场跨时空的革命。

3.4其他应用

THz雷达:实际上也是成像的一种。鉴于大气中水分对THz射线的强吸收作用,所以近距离雷达是THz射线的优势所在。一个非常让人向往的应用是穿墙雷达和探雷雷达,当然也可以用于抗震救灾中遇难者的搜救,目前还处于研发阶段。这是由于墙壁,木材等材料对THz透过,而人体包含大量水分,不透过THz,因此可以透过墙壁侦查到屋内的人员的分布和活动,将反恐怖反绑架起到深远的影响,同理也可以用于废墟下人体的寻找。而探雷雷达是由于地雷一般在地表或地表附近,而干燥的泥土可以透过THz射线,而地雷将会把THz射线反射回来,从而可以发现目标。

天文学:在宇宙中,大量的物质在发出THz电磁波。炭、水、一氧化碳、氮、氧等大量的分子可以在THz频段进行探测。而这些物质在应用THz技术以前一部分根本无法探测而另一部分只能在海拔很高或者月球表面才可以探测到。

4结语

THz科学技术是重要的发展极其迅速的交叉学科前沿,世界各国都给予极大的重视。由于THz处于电磁波谱的特殊位置,它具有极重要的学术价值和独特的性质,从而使它具有非常重要的多方面的应用。THz科学技术发展至今不到30年,很多关键技术问题,如THz辐射源及THz检测技术等尚不够成熟。但是THz辐射的应用已在大力开展,并取得很多重要的成果。相关的THz成像和波谱技术也已经并正在快速的发展。随着THz科学技术及其应用的迅速发展,很多大学和研究机构的研究成果孵化出一批高科技产业正在推动新一代IT产业的兴起。

仪器技术前沿

——太赫兹技术发展展望

专业:仪器仪表工程

班级:硕1104

姓名:陈兆辉

学号:G2*******

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