太赫兹技术研究现状及我市的对策建议
作者:  |  来源:  |  更新时间:2017-12-15

  编者按:中国科学院院士姚建铨在接受中国科技网记者专访时介绍,人类社会存在诸如电磁波、震动波、伽马射线、X射线等各式各样的光波,而太赫兹波是人类迄今为止了解最少,开发最少的一个波段。2004年,太赫兹(THz,1012Hz)技术首次被美国提出,并且美国政府将太赫兹技术评为“改变未来世界的十大技术”之一;2005年,日本更是将其列为“国家支柱十大重点战略目标”之首,举全国之力进行研发。太赫兹,因此成为本世纪最为重要的新兴学科之一。青岛市科学技术信息研究所(市科学技术发展战略研究院)、青岛市科技情报学会从太赫兹技术的概念、特点及应用、国内外研究发展状况、我市的研究基础等方面进行了研究,对我市太赫兹技术发展及其应用提出了对策建议,呈报市委市政府领导和相关部门参阅。

  太赫兹技术是当前受到极大重视的交叉学科前沿,为人类社会发展提供了一个非常诱人的机遇。近二十多年来,太赫兹技术已经取得了一些重要的研究成果,太赫兹技术的应用也不断扩展到波谱、成像、通信、雷达、天文、气象、石油、化工、军事、安全、国防、航空航天等各个领域,并正在取得不断的突破和进步。

  一、太赫兹技术概念及研究成果和进展

  (一)太赫兹技术概念

  太赫兹(terahertz,简称THz)波通常是指频率在0.1~10THz(波长在0.03~3mm)波段的电磁波,它的长波段与毫米波(亚毫米波)相重合,是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区,也是电子学向光子学的过渡区,称为电磁波谱的“太赫兹空隙(THz gap)”。由于太赫兹波段在电磁波谱中所处的特殊位置,它有很多优越的特性,在相关研究领域有着非常重要的学术和应用价值,因此太赫兹科学技术受到各国政府、科研机构、高等院校和高科技企业等部门的高度重视,投入了大量的人力、设备、资金和物质,受到了极大的关注和支持。

  太赫兹技术综合了电子学与光子学的特点,涉及物理学、化学、光学工程、材料科学、半导体科学技术、真空电子学、电磁场与微波技术、微波毫米波电子学等学科,是一个典型的交叉前沿科技领域。太赫兹技术之所以引起人们广泛的关注,首先是因为物质的太赫兹光谱包含着非常丰富的物理和化学信息,研究物质结构在该波段的光谱特性对于物质结构探究具有重要意义;其次是因为太赫兹波与可见光、红外线、微波等其他波段的电磁波相比具有很多独特的性质,有着潜在的应用价值和应用前景。太赫兹波具有独特的瞬态性、高穿透性、宽带性、相干性和低能性等特性,例如,太赫兹波的光子能量在毫电子伏量级,只是X射线光子能量的百万分之几,低于各种化学键的键能,因此太赫兹辐射不会导致光致电离而破坏被检物质,非常适用于针对人体或其他生物体的活体检测。太赫兹波对水分子十分敏感,水分子对太赫兹辐射的强吸收有利于利用太赫兹成像技术实现对水份含量及其分布的无损检测。太赫兹波对许多介电材料和非极性物质具有良好的穿透性,可对不透明物体进行透视成像,是x射线成像和超声波成像的有效互补手段,可用于安检和质检过程中的无损检测。另外,由于大多数极性分子和生物大分子等有机分子的振动和转动能级间距位于太赫兹波段,利用宽带太赫兹光谱可以检测这些分子的指纹特征谱,进一步结合量子化学计算和分析,可以识别分子结构并分析物质成分,所以太赫兹光谱成像技术不仅能够穿透塑料、陶瓷、皮革、布料以及脂肪等物质分辨物体的形貌,而且可以鉴别物体的组成成分、分析物体的物理化学性质。

  (二)太赫兹研究成果和进展

  太赫兹技术领域是电子学与光子学交叉融合的一个电磁波谱新领域,在上个世纪八十年代人们正式提出太赫兹波的概念以前,相关研究分别划归亚毫米波和远红外线研究领域。自从上世纪八十年代以来基于飞秒激光技术的太赫兹辐射产生与探测技术发展起来以后,太赫兹技术研究得到了大发展,特别是太赫兹时域光谱技术和太赫兹成像技术,已经取得了很多有价值的研究成果。

  1、太赫兹技术可以为科学研究提供强有力的新方法。太赫兹技术在物理学、化学、生物医学、天文学、材料科学和环境科学等方面有极其重要的应用。太赫兹波不仅可以成像,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的研究,提供关于物质的化学及生物成分、波谱特性、太赫兹标记、分子动力学过程,乃至量子互作用过程等重要信息。利用太赫兹的高时域分辨率研究光导量子过程、纳米晶格中载流子的输运过程,以及调控原子/分子的无辐射量子跃迁等方面均取得了重要的新成果。太赫兹量子光学及量子计算机应用及强磁场下半导体的太赫兹辐射等方面也作出了突出的贡献,大功率太赫兹辐射可激发起物质内部原子及分子的非线性动力学过程,因此可利用大功率超短脉冲THz辐射在分子水平上研究物质的非线性特性。太赫兹技术被公认为是分子生物学的一种非常有用的工具,在等离子体检测方面也有重要的优势,利用太赫兹辐射可以探测出高温、高密度等离子体中密度的空间分布;太赫兹在天文学研究上的应用也很突出,利用THz望远镜可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意义。

  2、太赫兹技术对国民经济发展将起重要的推动作用。太赫兹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、太赫兹断层成像、太赫兹药物分析和检测等方面都显示了强大的功能和成效。基于对蛋白质及基因特性等的研究,可建立起太赫兹生物分子诊断技术;由于生物大分子的振动和转动频率均在太赫兹波段,而太赫兹辐射技术又可提取DNA的重要信息,因此,太赫兹在植物特别是农业选种等方面可以起重要的作用;太赫兹科学技术对食品加工等行业也有重要的应用,太赫兹辐射可以穿透烟雾,又可检测出有毒或有害分子,在环境监测和保护方面可以发挥重要的作用,目前太赫兹环境监控设备已在一些先进国家投入使用。

  3、太赫兹技术在国家安全、反恐方面的应用有着独特的优势。利用太赫兹可以穿透非极性物质的特性,太赫兹摄像机已在机场安全检查方面进行试用,效果很好;利用太赫兹波谱可以快速、有效地检查和识别毒品、易爆品等,可用于检查邮件等项目,包括太赫兹化学和生物制品检测等。

  4、太赫兹技术是新一代IT产业的基础。科学家们预计,一旦太赫兹辐射源、太赫兹传输、太赫兹检测技术等发展以后,太赫兹将在现代IT科学技术和工业领域有极强的竞争力。随着太赫兹科学技术的发展,很多高科技公司相继诞生,如英国建立了ThruVision公司,专门从事有关太赫兹成像设备的商品化工作,已开发出被动式太赫兹成像仪;英国剑桥大学孵化出一个高科技公司—TeraView,从事太赫兹摄像机的开发;美国Univ.of Michigen及Univ.of Stanford孵化出Picometrix等公司;日本也有很多公司从事包括高功率太赫兹辐射源在内的有关太赫兹科学技术的研究、开发及成果的商业化等工作。可见,以太赫兹科学技术为基础的新一代IT产业已开始逐步形成。

  二、国外太赫兹技术研究现状

  在美国,激光引导编码技术推进单一像素太赫兹成像取得了重要进展,这是一项简单有效的实现太赫兹成像的突破性成果;同时,太赫兹传感器在病毒爆发前对病毒的检测,该项技术在疾病检测、疫苗研发、疫情监测等方面具有革命性的发展空间;另外一个研究团队开发出室温下紧凑型高功率太赫兹源,将在室温下产生高功率太赫兹源成为可能;桑迪亚国家实验室的研究小组创建了一个等离子体晶体,可以在一定的范围内可调谐地传输太赫兹光,这是一种潜在的、有用的高速数据传输的方法;2014年,世界上首个太赫兹真空放大器,由美国国防部高级研究计划局“太赫兹电子学”项目的研究人员设计产生,将其用于超高速数字通信应用,可以使无线网络传输速率超过100Gb/s。

  在英国,650万英镑的项目——“解锁”太赫兹光谱,由来自英国伦敦大学学院、剑桥大学、利兹大学的研究人员,共同展开对太赫兹光谱在科学和商业方面广泛应用的研究。

  在德国,太赫兹脉冲源取得了重要进展,一项“开启太赫兹源”的研究项目基于激光光源产生的短太赫兹脉冲,达到了实验室记录中的最高峰值,成为这一领域的新突破;另外,德国的一个研究小组创下了100Gb/s的太赫兹无线数据传输速率新记录。

  在日本,爱德万测试开发Terahertz光谱及成像分析平台,帮助研发人员达到高精度、高效率的实验要求,同时大幅扩大了应用范围。

  在加拿大,一个团队开发出第一个宽带太赫兹隔离器,该装置对于太赫兹信号源的各种应用至关重要;另外,在利用太赫兹波实现DNA损伤和修复方面,一项新的研究结果产生,太赫兹脉冲损伤DNA同时诱导DNA修复,表明人的皮肤由于接触强烈的皮秒太赫兹辐射引起DNA损伤,同时也可快速有效地修复,这可以帮助身体对抗癌症。

  在西班牙,研究人员利用太赫兹光波揭示以前被认为未署名的一幅画中隐藏的碳签名的特征,实现了太赫兹碳签名的呈现。

  在澳大利亚,太赫兹透镜成为生物学的新工具,具有比目前其他任何超材料透镜高10倍的分辨率,使其成为生物学成像强有力的工具。

  在奥地利,太赫兹量子级联激光器功率达到1w,成为目前世界上功率最大的太赫兹量子级联激光器,对太赫兹技术的应用而言,这将是一个重要的里程碑。

  三、我国太赫兹技术研究现状

  在中国,2013年国内首个室温太赫兹自混频探测器问世,从而填补了该类探测器的国内空白;上海微系统所实现太赫兹实时视频通信演示,为未来的太赫兹无线通信技术奠定了基础;首都师范大学研制成功了被动式波束扫描太赫兹成像系统,成像距离达到了10m以上,这为太赫兹安全检查奠定了基础;同时,作为太赫兹安全检测系统的核心部分,中国航天科工太赫兹光谱仪面世;上海理工大学在“模式分裂:非对称入射的产物”方面取得了重要进展,该项基础研究对太赫兹器件的设计具有非常重要的意义;首都师范大学太赫兹时域光谱仪的研发已经取得了初步的进展,在其研制的原型样机基础上,与国内重点光电企业一大恒新纪元科技有限公司联合,即将生产出适合于不同应用需求的太赫兹时域光谱仪;合肥市太赫兹安检工程技术研究中心正式获批,专注于攻克太赫兹安检关键技术;天津大学在时域太赫兹雷达研究中取得重要进展,该项研究填补了我国在该领域的空白。科学报告发表武汉光电国家实验室太赫兹光电子学团队的研究成果,该项工作将对新型太赫兹空域及频域控制器件的设计起到重要作用;同时,《科学报告》也发表了首都师范大学的重要研究成果——光控太赫兹空间调制技术,这对于实现太赫兹波段多功能光学成像系统和光学信息传输系统具有很大的推动作用;远方光电成立院士工作站,涉足太赫兹光谱仪,将开展“太赫兹光谱仪及相关检测技术研究”和“紫外-可见-近红外绝对光谱灵敏度校准系统及技术研究”等科学研究项目;来自中国石油大学(北京)油气太赫兹波谱与光电检测重点实验室的团队,把开发太赫兹时域光谱(THz—TDs)作为一种有效的方法来检测生成石油和天然气中的油页岩,这在改善油页岩分析中有很大潜力;由上海理工大学、公安部第三研究所和上海拓领光电科技有限公司联合研制的主动式太赫兹成像设备的亮相,这套具有革新性的太赫兹安检成像设备,是真正意义上使用多源多探头的主动式太赫兹成像设备;半导体所制备成功太赫兹量子级联激光器系列产品,这是一种通过在半导体异质结构材料的导带中形成电子的受激光学跃迁而产生相干极化THz辐射的新型太赫兹光源;中国航天科工二院203所太赫兹脉冲计量领域取得关键性进展,为我国在太赫兹脉冲计量领域的研究揭开新的一页。

  四、青岛市太赫兹技术研究基础

  青岛市太赫兹技术及产品开发实力较强的有中国电子科技集团公司41所青岛分所、中国电子科技集团公司22所青岛分所以及山东科技大学等单位。中国电子科技集团公司41所青岛分所是我国实力最强的专业电子测量仪器研究所,主要从事微波毫米波、光电、通信、通用基础等专业门类的电子测量仪器、自动测试系统和微毫米波功能部件等的研制、生产和服务,产品广泛应用与国防、通信、广电、教育等领域,在载人航天、光纤通信干线等国家重大工程中发挥重要作用。科研队伍规模达到1500人,其依托单位青岛依爱电子产业园(中电科仪器仪表有限公司)年产值实现10亿元。

  中国电子科技集团公司22所是国内唯一从事电波环境特性观测和研究的国家级专业研究所,也是国际上规模较大的国家级电波环境特性观测和研究的机构之一。青岛分所的专业研究方向是电波环境特性的观测和研究、应用。研究范围从地(水)下、地(海)面、对流层、电离层到外层空间,研究频段从超长波到毫米波。在为各种电子系统设计提供基础数据、传播模式、论证报告和信息服务的同时,重点进行较大型软硬结合的信息化系统装备研制。

  山东科技大学太赫兹技术研究所成立于2003年,由刘盛纲院士任所长,是国内较早开展该领域研究的单位之一。目前在太赫兹时域光谱技术及其成像、光学差频太赫兹源与太赫兹光纤激光器的开发和应用、太赫兹器件三个方向开展研究,具有独特的学科优势和良好的前期研究积累。实验室拥有一支学术水平高、研发经验丰富的研究团队,承担和完成了多项国家和省、市级科研项目,在太赫兹时域光谱技术及相关器件等方面具有较强的科技创新能力。

  青岛大学教授陈沙鸥、迟宗涛、滕冰等,2016年主持青岛嘉业安邦科学仪器有限公司《太赫兹相机研制与开发》、《太赫兹激光控制系统研制与开发》等系列项目的研发。

  太赫兹光谱系统在过去的20年时间里取得了很大的进展,改进了光源和探测手段,仍在进一步扩展太赫兹技术的应用领域,并把太赫兹系统从实验室中逐步转移到工业中。2016年6月,中国电子科技集团公司顺利完成了首部全固态太赫兹成像雷达系统样机的研制,主要指标均达到预期效果,标志着中国电科的太赫兹成像雷达相关技术已经达到国内一流、国际先进水平。我市拥有中国电子科技集团公司41所青岛分所、中国电子科技集团公司22所青岛分所以及山东科技大学太赫兹技术研究所等高端研发资源,可以充分依托它们研究开发太赫兹时域光谱技术、可调谐差频太赫兹辐射源技术、太赫兹光纤激光器和太赫兹器件,重点攻克激光探测、光电测量、成像光谱仪等技术;开发成像光谱仪、太赫兹探测分析装备、智能楼宇安防系统等光电子器件及产品,将现有的科研优势转化为高科技产品,实现太赫兹技术的产业化。

  五、对策建议

  (一)加大政策扶持力度

  加强太赫兹技术研究及产品开发,发挥政府的引导作用,制定青岛市太赫兹产业发展规划,开展太赫兹产业技术路线图研究;加大资金投入,引入风险投资,构建多元化、多渠道的科技投入体系。

  (二)搭建公共研发平台

  建立科技资源开放共享机制,支持产学研协同创新,组建太赫兹技术研究中心、工程技术中心、公共研发服务平台等创新平台,促进中国电子科技集团公司41所青岛分所、中国电子科技集团公司22所青岛分所以及山东科技大学太赫兹技术研究所等高端研发资源为当地科技型企业服务。

  (三)引进高端专业人才

  制定太赫兹专项人才引进计划。从政策、资金、项目等方面加大人才引进力度,大力引进国内外太赫兹领军人才和团队,加强本地太赫兹技术人才的培育。

  (四)加快科研成果产业化

  开展太赫兹专利研究分析,制定青岛市太赫兹知识产权发展战略。推进太赫兹科研成果产业化,支持研发机构与企业联合开展技术攻关,缩短成果产业化进程。

  

(编辑:荆春杰 审核:姜森)

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