姚建銓院士談太赫茲技術

只看該作者 · 2011-12-30 20:47:42

作者：Adv.M.M.M.

姚建銓院士是目前進行太赫茲前沿技術研究的專家，也是最早呼吁國家大力支持此項研究的策劃者之一，在2007年舉行的中國光電產業高層論壇以及270次香山會議上，姚建銓院士都在積極呼吁國內的光電企業和有志之士應盡早關注和切入該產業，搶占未來制高點。以下是姚院士的一些觀點：
一、THz是國際電子與信息領域重大科學問題
太赫茲光電子技術被認為是國際電子和信息領域的重大科學問題，是連接宏觀電子學和微觀波長學的橋梁。THz頻率介于0.1THz-10THz（3mm-0.03mm）之間，是介于光子學和電子學的波段，THz技術在電子、信息、生命、國防、航天等方面蘊藏著巨大的應用前景。

首先我們要感謝過去二十年技術的發展，太赫茲技術，特別是源和檢測技術已經有了長足的發展并形成現在的市場。根據Thintri公司對這個新興的市場進行的調研，現在，除了已經建立的天文和用于研究的太赫茲設備市場外，各種太赫茲設備的應用已經開展。NASA用太赫茲技術來探測航天飛機的泡沫絕緣層的裂縫。Teraview的設備已經用于已包裝的醫療用品的檢測。太赫茲技術在過程控制、產品檢測和材料評估等方面有著巨大的潛在市場，而這些也只是未來十年太赫茲技術應用的其中一個方面。

在分析這些應用之前，先了解一下太赫茲技術的特點。

1、THz輻射的特點
能量：約50%的宇宙空間光子能量，大量星際分子的特征譜線在THz范圍。
特征：大量有機分子轉動和震動躍遷、半導體的子帶和微帶能量在THz范圍，可用于指紋識別和結構表征。
安全性：THz光子能量小，不會引起生物組織的光離化，適合于生物醫學成像。
穿透性：THz輻射能穿透非金屬和非極性材料，如紡織品、紙板、塑料、木料等包裝物，能穿透煙霧和浮塵。

2、受各國政府的支持有重視的先進科學
美國：
THz技術在美國得到了很大的重視和發展，2004年被列為改變未來世界的十大技術之一，在2006年被列為美國防重點科學，目前美國有多個政府機構和民間企業和機構正在積極研究此項技術，包括美國宇航局（NASA）、美國國防部（DARPA）、NSF、LLNL、LBNL、JPL、BNL、ALS、Bell、IBM等，目前已經研究出的標志性成果是0.225THz機栽雷達。

歐洲：
歐洲主要有STARTIGER、IST、THz-Bridge、Teravision、NanoTera、WANTED等機構，制定的研究主題有THz輻射成像（2004-2008），分子生物學研究（2004-2009），THz空間天文學（2005-2009），THz遙感（2005-2012），光子帶隙材料（2004-2009），微機械探測器（2006-2015）年，標志性成果是研制出THz遠距離檢測系統（2006年重大項目）。

日本：
日本政府在2005年1月也把太赫茲技術確立為今后十年內重點開發的“國家支柱技術十大重點戰略目標”之首，并列入日本政府從2006年開始到2010年結束的第三期科學技術基本計劃予以支持。

除此之外，日本還與歐美合作，成立ALMA計劃，建設全球最大的射電天文亞毫米波干涉陣，計劃投資10億美元，每年開展三方研討會，該計劃受到歐美日政府的高度重視。

日本在研制太赫茲技術的標志性成功是2006年研制出1.5公里THz無線通信演示系統，完成世界上首例THz通信演示。

二、為什么要研究THZ技術？
如前所述，太赫茲技術在空間運動目標的偵察、識別、致盲、對抗方面有極大優勢，是無線通信和反恐輯毒的有利工具，是生物醫學和探測成像的獨特手段，這是未來技術的制高點，也是有巨大潛力需求的。

1、國際科技發展中的重要需求

THz是新一代IT產業、通信及雷達技術的基礎，在國家安全和反恐戰爭中面臨許多應用，研究的必要性和重大需求牽引意味著THz技術具有極大的科學意義和應用價值。

在空間探測中的應用――比如宇宙的起源和演化，利用Thz觀測更遙遠的星系；地球環境監測，科研人員利用大氣THz微量分子變化來監測全球氣候變暖問題；航天器材料無損檢測等。

在公共安全檢測方面國家也有重大需求，比如檢測毒品，以及在要害部門、場所的安全監控。安全方面的應用，包括商業和國防的應用是太赫茲應用中宣傳最為廣泛的。由于既可以用于成像，又可以用于波譜分析，所以太赫茲系統不僅能夠檢測出攜帶有武器的乘機者，還可以檢測旅客攜帶的特殊物品。危險爆炸品，非法走私物品和無害的化妝品，可以通過太赫茲區分。

THz波譜和物體成像應用--- 除了空間探測和安全領域，太赫茲在醫藥、無線通信以及制造業方面也具有巨大的市場潛力。太赫茲輻射在皮膚癌檢測上得到應用，并在生物芯片和生物傳感器方面發展迅速。太赫茲技術或許在無線通訊，特別是高帶寬、安全的校園通訊系統方面也有應用前景。

但是，隨著對巨大的太赫茲市場太多的期望，一些夸大的虛假太赫茲應用宣傳，包括對太赫茲系統過分的不切實際的評估，對市場發展起到了反作用。由于過分宣傳，一些市場觀察員和產品制造商對太赫茲技術這一新興市場的建立的可能性持悲觀態度。不過，大多數人還是認為，太赫茲應用仍然具有成為一個重要市場的潛力。

目前，持續的商業發展活動已經廣泛開展，但是成功的市場還需要器件和系統的技術發展。例如，量子級聯激光器是一種體積小、功率高而且便宜的太赫茲源，但是工作在太赫茲波段需要極低的溫度。因此，整個市場的發展還是取決于技術的不斷進步。

2、太赫茲技術一些應用實例
太赫茲技術已經廣泛應用到空間研究，比如NASA就將其傳統的X射線一起使用，來檢查航天飛機Discovery的外部隔熱泡沫層。
太赫茲穿透材料并且提供了內部結構的信息，現存的技術比如X射線和超聲波則有可能無法檢測到一些內部瑕疵。

? 短脈沖激光器激光兆赫輻射技術及其應用
? 小型化太赫茲激光器
? 美國科學家制造出頻率接近太赫茲的晶體管
? Sandia研制出新一代檢測設備
? THz-自然數碼廣播
? 壓力和氧原子同位素替代均能改變超導特性
? 太赫茲光波透視木材脈絡
? 太赫茲近場顯微鏡
? 印跡法在太赫茲光學的應用
? THz激光具備X射線成像能力
? 太赫茲精確掃描鑒別藝術品
? 自旋轉胞質基因技術產生太赫茲波的展示
? 納米管THz探測器

三、時不我待的中國THz研究
THz是目前物理、化學、生物、材料和醫學等諸多學科的前沿研究領域。
1、我國的THz科學研究受到政府和各研究機構的廣泛重視：
? 國家科技部
? 自然科學基金委
? 863（民口和軍口）
? 第270次香山科學會議將太赫茲科學技術列為主題

大學方面：電子科技大學，天津大學，南京大學，首都師大，中山大學，國防科大，上海交通大學，西安理工大學，深圳大學，南開大學，清華大學等都有THz研究計劃。

研究所方面：上海微系統所，中國科學院物理所，中國計量學院太赫茲技術與應用研究所，紫金山天文臺，西安光機所，中科院上海應用物理所，半導體所也有研究項目。

2、太赫茲主要的研究題目：
太赫茲（Terahertz，THz）技術是當今科學技術的前沿研究領域，受到世界發達國家的高度重視?！澳壳笆澜绺鲊鴮μ掌澕夹g的研究主要集中在THz源、THz發射器和接收器以及THz系統的構建方面?！敝饕难芯款}目包括：
? 太赫茲理論
? 太赫茲輻射源――這是太赫茲領域挑戰性科學問題，有效THz輻射源的缺乏是形成"THz空白"的根本原因，輻射源是太赫茲科學研究中最基本、最關鍵和最急迫的問題，受到國際科學界的高度重視。
? 太赫茲輻射探測器
? 太赫茲輻射傳播radiation propagation
? 太赫茲設備
? 太赫茲基礎應用研究
? 太赫茲應用

3、對我國發展THz技術研究的建議
? 加強基礎研究，特別是加強原創性的研究，建立我國自主創新的THz波研究體系；
? 加強學術交流，加強各單位間的聯系，互相取長補短，共同發展；
? 加強與科技領導部門（國家科技部、總裝備部等）的聯系、匯報，取得支持；
? 建議THz專家委員會盡快聯合各相關單位制定我國THz波的研究規劃，并提出相應措施等；
? 建立網站，固定THz學術會議間隔，條件成熟立時出版THz刊物等