姚建銓院士談太赫茲技術(shù)

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(shù)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(chǎn)業(yè)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(nèi)的光電企業(yè)和有志之士應(yīng)盡早關(guān)注和切入該產(chǎn)業(yè)，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(lǐng)域重大科學(xué)問題
太赫茲光電子技術(shù)被認(rèn)為是國際電子和信息領(lǐng)域的重大科學(xué)問題，是連接宏觀電子學(xué)和微觀波長學(xué)的橋梁。THz頻率介于0.1THz-10THz（3mm-0.03mm）之間，是介于光子學(xué)和電子學(xué)的波段，THz技術(shù)在電子、信息、生命、國防、航天等方面蘊藏著巨大的應(yīng)用前景。

首先我們要感謝過去二十年技術(shù)的發(fā)展，太赫茲技術(shù)，特別是源和檢測技術(shù)已經(jīng)有了長足的發(fā)展并形成現(xiàn)在的市場。根據(jù)Thintri公司對這個新興的市場進行的調(diào)研，現(xiàn)在，除了已經(jīng)建立的天文和用于研究的太赫茲設(shè)備市場外，各種太赫茲設(shè)備的應(yīng)用已經(jīng)開展。NASA用太赫茲技術(shù)來探測航天飛機的泡沫絕緣層的裂縫。Teraview的設(shè)備已經(jīng)用于已包裝的醫(yī)療用品的檢測。太赫茲技術(shù)在過程控制、產(chǎn)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(shù)應(yīng)用的其中一個方面。

在分析這些應(yīng)用之前，先了解一下太赫茲技術(shù)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(zhuǎn)動和震動躍遷、半導(dǎo)體的子帶和微帶能量在THz范圍，可用于指紋識別和結(jié)構(gòu)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(yī)學(xué)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(xué)
美國：
THz技術(shù)在美國得到了很大的重視和發(fā)展，2004年被列為改變未來世界的十大技術(shù)之一，在2006年被列為美國防重點科學(xué)，目前美國有多個政府機構(gòu)和民間企業(yè)和機構(gòu)正在積極研究此項技術(shù)，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(jīng)研究出的標(biāo)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(gòu)，制定的研究主題有THz輻射成像（2004-2008），分子生物學(xué)研究（2004-2009），THz空間天文學(xué)（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(biāo)志性成果是研制出THz遠距離檢測系統(tǒng)（2006年重大項目）。

日本：
日本政府在2005年1月也把太赫茲技術(shù)確立為今后十年內(nèi)重點開發(fā)的“國家支柱技術(shù)十大重點戰(zhàn)略目標(biāo)”之首，并列入日本政府從2006年開始到2010年結(jié)束的第三期科學(xué)技術(shù)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(shè)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(shù)的標(biāo)志性成功是2006年研制出1.5公里THz無線通信演示系統(tǒng)，完成世界上首例THz通信演示。

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

1、國際科技發(fā)展中的重要需求

THz是新一代IT產(chǎn)業(yè)、通信及雷達技術(shù)的基礎(chǔ)，在國家安全和反恐戰(zhàn)爭中面臨許多應(yīng)用，研究的必要性和重大需求牽引意味著THz技術(shù)具有極大的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

在空間探測中的應(yīng)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(huán)境監(jiān)測，科研人員利用大氣THz微量分子變化來監(jiān)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(jiān)控。安全方面的應(yīng)用，包括商業(yè)和國防的應(yīng)用是太赫茲應(yīng)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(tǒng)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(qū)分。

THz波譜和物體成像應(yīng)用--- 除了空間探測和安全領(lǐng)域，太赫茲在醫(yī)藥、無線通信以及制造業(yè)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(yīng)用，并在生物芯片和生物傳感器方面發(fā)展迅速。太赫茲技術(shù)或許在無線通訊，特別是高帶寬、安全的校園通訊系統(tǒng)方面也有應(yīng)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(yīng)用宣傳，包括對太赫茲系統(tǒng)過分的不切實際的評估，對市場發(fā)展起到了反作用。由于過分宣傳，一些市場觀察員和產(chǎn)品制造商對太赫茲技術(shù)這一新興市場的建立的可能性持悲觀態(tài)度。不過，大多數(shù)人還是認(rèn)為，太赫茲應(yīng)用仍然具有成為一個重要市場的潛力。

目前，持續(xù)的商業(yè)發(fā)展活動已經(jīng)廣泛開展，但是成功的市場還需要器件和系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展。例如，量子級聯(lián)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(fā)展還是取決于技術(shù)的不斷進步。

2、太赫茲技術(shù)一些應(yīng)用實例
太赫茲技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到空間研究，比如NASA就將其傳統(tǒng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息，現(xiàn)存的技術(shù)比如X射線和超聲波則有可能無法檢測到一些內(nèi)部瑕疵。

? 短脈沖激光器激光兆赫輻射技術(shù)及其應(yīng)用
? 小型化太赫茲激光器
? 美國科學(xué)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(shè)備
? THz-自然數(shù)碼廣播
? 壓力和氧原子同位素替代均能改變超導(dǎo)特性
? 太赫茲光波透視木材脈絡(luò)
? 太赫茲近場顯微鏡
? 印跡法在太赫茲光學(xué)的應(yīng)用
? THz激光具備X射線成像能力
? 太赫茲精確掃描鑒別藝術(shù)品
? 自旋轉(zhuǎn)胞質(zhì)基因技術(shù)產(chǎn)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(xué)、生物、材料和醫(yī)學(xué)等諸多學(xué)科的前沿研究領(lǐng)域。
1、我國的THz科學(xué)研究受到政府和各研究機構(gòu)的廣泛重視：
? 國家科技部
? 自然科學(xué)基金委
? 863（民口和軍口）
? 第270次香山科學(xué)會議將太赫茲科學(xué)技術(shù)列為主題

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

研究所方面：上海微系統(tǒng)所，中國科學(xué)院物理所，中國計量學(xué)院太赫茲技術(shù)與應(yīng)用研究所，紫金山天文臺，西安光機所，中科院上海應(yīng)用物理所，半導(dǎo)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(shù)是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的前沿研究領(lǐng)域，受到世界發(fā)達國家的高度重視。“目前世界各國對太赫茲技術(shù)的研究主要集中在THz源、THz發(fā)射器和接收器以及THz系統(tǒng)的構(gòu)建方面。”主要的研究題目包括：
? 太赫茲理論
? 太赫茲輻射源――這是太赫茲領(lǐng)域挑戰(zhàn)性科學(xué)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(xué)研究中最基本、最關(guān)鍵和最急迫的問題，受到國際科學(xué)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(shè)備
? 太赫茲基礎(chǔ)應(yīng)用研究
? 太赫茲應(yīng)用

3、對我國發(fā)展THz技術(shù)研究的建議
? 加強基礎(chǔ)研究，特別是加強原創(chuàng)性的研究，建立我國自主創(chuàng)新的THz波研究體系；
? 加強學(xué)術(shù)交流，加強各單位間的聯(lián)系，互相取長補短，共同發(fā)展；
? 加強與科技領(lǐng)導(dǎo)部門（國家科技部、總裝備部等）的聯(lián)系、匯報，取得支持；
? 建議THz專家委員會盡快聯(lián)合各相關(guān)單位制定我國THz波的研究規(guī)劃，并提出相應(yīng)措施等；
? 建立網(wǎng)站，固定THz學(xué)術(shù)會議間隔，條件成熟立時出版THz刊物等