太赫兹科学技术的新发展刘盛钢.docx

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太赫兹科学技术的新发展刘盛钢

太赫兹科学技术的新发展－－刘盛纲 姚建铨 张杰 封松林

发布时间：

2006-04-2513:

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刘盛纲姚建铨张杰封松林

一、前言

THz波是指频率在（0.1－10）THz（波长为3000—30微米）范围内的电磁波，1THz=1012Hz＝1000GHz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Fig.2所示。

如Fig.1所示，人们提出THz空白（THzGap）的概念。

其实THzGap可以有以下几方面的意义：

1．THz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．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THz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，NTTAdvancedTechnologyCorporation，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》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

Wavenumber

Wavelength

Frequency

Energy

BlackbodyTemp.

1cm-1

10mm

30GHz

120µeV

1.5K

10cm-1

1mm

300GHz

1.2meV

15K

33cm-1

300µm

1THz

4.1meV

48K

100cm-1

100µm

3THz

12meV

140K

200cm-1

50µm

6THz

25meV

290K

670cm-1

15µm

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。

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Picometrix；PhysicalscienceInc．；CalabazasCreekRes．Inc．等公司。

基地设在加州的Picometrix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）“Terahertzsemiconductorheterostructurelaser”，Nature417，156－159，2002．ByItalianandUKScientists，RadiomenKiblenetc，ItisconsideredasabreakthroughintheQuantumcascadelasers．

（2）“HighpowerTerahertzRadiationFromRelativisticElectronics”，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，MITQCL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，中国电子集团南京55所，渡越雪崩二极管可以做到0.1THz。

中国科学院上海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，我国天津大学等单位，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、北京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的频率范围，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。

我们今后的工作应该是：

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，实际使用于天