太赫兹技术及其发展前景.ppt

姚建铨,(jqyao),2008中国光电产业高层论坛(COEIC2008)中国深圳会展中心太赫兹技术及其应用前景THz-TechnologyandItsApplicationForeground,天津大学激光与光电子研究所Jian-quanYaoProfessorandDirector,InstituteofLaser,太赫兹科学（THz）,THzGap频率：0.1THz10THz（3mm0.03mm),宏观电子学向微观光子学过渡的频段,所有大分子的转动和振动频率,在电子、信息生命国防航天等方面蕴含着巨大应用前景.,THz是国际电子与信息领域重大科学问题,极为重要的交叉前沿领域,利用THz重新学习化学和物理学,电磁波谱中的“太赫兹空白”,在物理学、材料科学、生命科学、天文学、信息技术和国防科技等方面的应用前景巨大.,THz辐射的特点,能量：约50%的宇宙空间光子能量，大量星际分子的特征谱线在THz范围。,特征：大量有机分子转动和振动跃迁、半导体的子带和微带能量在THz范围，可用于“指纹”识别和结构表征。安全性：THz光子能量小，不会引起生物组织的光离化，,适合于生物医学成像。,穿透性：THz辐射能穿透非金属和非极性材料，如纺织品、,纸板、塑料、木料等包装物。能穿透烟雾和浮尘。,国内外研究概况,发展趋势,国内外研究概况和发展趋势,国际上已有一百多个研究组,从事有关THz相关领域的研究。美国国家基金会(NSF)、国家航天局(NASA)、国防部（DARPA）和国家卫生学会(NIH),日本,澳,大利亚，Korea,Taiwen,China。,受各国政府的支持与重视的先进科学,美国改变未来世界的十大技术（2004）国防重点科学（2006）,政府机构DOEDARPA,实验室和公司LLNL,LBNL,SLAC,JPL,BNL,NRL,ALS,ORNL,Bell、,IBM。标志性成果-0.225THz雷达-机载雷达,受各国政府的支持与重视的重大科学主题(续)欧洲THz辐射成像（2004-2008）分子生物学研究（2004-2009）THz空间天文学（2005-2010）,THz遥感（2005-2012）光子带隙材料（2004-2009）微机械探测器（2006-2015）,THz-BridgeTeravisionNanoTera,WANTED标志性成果-THz远距离检测系统（2006年重大项目）,受各国政府的支持与重视的重大科学主题(续),亚洲,日本未来十项重大支柱技术首位,日本照片：光学）,Safe,extremelylowpowerelectromagneticillumination,T-RayApplications,医药生产THz监控,蛋白质等生物大分子无标志识别,生物大分子的光谱识别和成像识别,解谱有关的光谱学与生物学问题,谱库建立的方法学,医学成像,病变细胞的识别及早期诊断,皮肤癌、乳腺癌的诊断及预防,THz层析成像,层析成像的重建算法及其有关问题,对象建模与成像技术的结合,成像与光谱相结合,THz在生物医学方面的应用,穿透性：THz辐射能穿透非金属和非极性材料，如纺织品、纸板、塑料、木料等包装物。能穿透烟雾和浮尘。,THzimagingprogramofDARPA,2004年美国国防部DARPA,正投入大量的资金，研制,THz成像阵列技术，并最,终研制出便携式、远距离,THz成像雷达。,沙尘暴,海上的浓雾,浓烟,优点：（1）全天候能力；（2）反目标隐蔽能力强；（3）抗背景杂波干扰能力强；（4）特别的穿透探测和识别能力；（5）可实现三维成像。,全天候,带宽很宽(0.1-10T)Hz,基于焦平面阵列成像技术的远,距离雷达示意图,THz波具有非常宽的频谱，可工,作在目前隐身技术所能对抗的波段之外，因此它能探测隐身目标，以其作为辐射源的超宽带雷达能够获得隐身飞机的图像。,SomeapplicationsofThzTechnology,太赫兹技术已经广泛的用于空间研究，比如NASA就将其与传统的X射线一起使用，来检查航天飞机Discovery的外部隔热泡沫层,太赫兹穿透材料并且提供了内部结构的信息。现存的技术比如X射线和超声波则有可能无法检测到一些内部的瑕疵,短脉冲雷射激发兆赫辐射技术及其应用,小型化太赫兹激光器,美国科学家制造出频率接近太赫兹的晶体管,Sandia研制出新一代检测设备,THz-自然数码广播,压力和氧原子同位素替代均能改变超导特性,太赫兹光波透视木材脉络,太赫兹近场显微镜,印迹法在太赫兹光学的应用,THz激光具有X射线成像能力,太赫兹精确扫描鉴别艺术品,自旋转胞质基因技术产生太赫兹波的展示,太赫兹光对决恐怖分子,纳米管THz探测器,API公司发布与国防部的太赫兹开发合同,AdvancedPhotonix公司（API）声称，该公司已经获得了2项国防部（SBIR）合同，总金额$20万,以确定利用太赫兹技术的可行性和他们的T-Ray(TM)4000国防应用产品平台。这两项合同都是与美国空军（USAF）签订的。PhaseI-可行性项目，最大总金额为$10万，且启动后的最长研究时间为9个月。如果获得奖励，PhaseII每个项目的合同金额将为$75万，并且最长资助时间为2年。该公司将有权利进行任何技术开发，并可以自由将其转化为民品军品。,第一个合同是有关无损测试（NDT）应用开发，以验证该公司当前太赫兹产品测试航天器特殊涂覆层的可行性。测试将采取实时方式，以能确定涂覆层的介电常数和厚度。这种测试方法也适合检测USAF和其他国防部门的多种不同涂覆层和油漆应用。该公司相信，该技术能够用来监测和检查工业设备上的涂覆层和油漆，例如汽车工业中的。,第二个合同是确定利用太赫兹高温成像聚合阵列复合体（HTPMCs）的可行性，以探测和映射老化性能。这种复合体将优先应用到航天系统中。老化问题是指空隙、破裂、稠化和分层。初期规划的目标是开发这种技术，以便设备能用来检查复合体结构的多样性，复合体包括用在航天和其他国防领域，还有商业领域。,国家科技发展的重要技术牵引,分子生物信息等中的,应用：提供关于物质的物理、化学及生物成分、波谱特性、分子、量子互作用过程等重要信息,特征：大量有机分子转动和振动跃迁、半导体的子带和微带能量在THz范围，可用于“指纹”识别和结构表征。,Photosyntheticreactioncenter:,orientationofelectrontransfercomponents,andtimeofindividualevents,健康组织转移瘤,石腊,50nm含瘤肝样品的光学图像与THz成像,0.20.5THz,TeraView,安全性：THz光子能量小，不会引起生物组织的光离化.,生物医学成像,药物生产质量控制,药物分析应用,DistinguishingAnhydrous,ALMA既能探测及其微弱的毫米波亚毫米波发射，又能同时对该发射源实现超高分辨率成像，迄今为止没有一台天文设备所能达到;几乎适用天文观测研究的所有领域，宇宙学、星系形成和演化、恒星形成和演化、太阳系天体、行星科学等。,ALMA计划简介-2,NearbyGalaxies,DistantGalaxies,ALMAvs.HubbleDeepField,HDF,K.Lanzetta,SUNY-SB,ALMADeepField,Wootten&Gallimore,NRAO,大型THz天文计划air-&space-bornesingledishesSOFIA(US-German,2.5m,0.3-665um,2006),SpitzerSpaceTelescope(0.85m,3-180um,lunchedin2003)5K,10m,20um-1mm,2015-2020HerschelSpaceTelescope(3.5m,0.48-1.91THz,lunchin2007)FieryFirstStars,大型亚THz天文计划-南极最好的地面亚毫米波站址,Southpole:2300mDomeA:4000mDomeC:3250m,HEAT:HighElevationAntarcticTerahertzTelescope,0.8,1.4&1.9THz,ThefirstTHzcommunicationintheworld!Theachievementofthewirelesssub-THzcommunication(Japan,NTTCorporation,NTTMicro-systemIntegrationLaboratories2005,8),ThephotographsofthetransmitterfrontendanditssetupforthefieldtrialSub-THzoperation:120GHzLongdistance:1kmHighoutputpower:10dBmHighchannelcapacity:6-channeluncompressedHDTVsignal,卫星间星际通信同温层内空对空通信短程安全大气通信短程地面无线局域网Applicationsof10Gb/swirelesslink,120GHz,1km,NTTCo.Japan,THz在通信方面的应用,卫星间星际通信,同温层内空对空通信,短程安全大气通信,短程地面无线局域网,发展THz通信理论,无线通信使用的频率和波段,THz通信特点,大气不透明,带宽宽天线小,定向性好,安全性高散射小,THz通信的适用领域,卫星间星际通信,同温层内空对空通信,短程地面无线局域网,短程安全大气通信,与其他通信系统一样，THz通信系统基本的三个组成部分为：,1）发送端，2）接收端，3）发送端与接收端之间的通信信道,信息源：信息源输出的是基带信号，是要传递和交换的消息，可以是数,字和模拟的。,调制器：其功能是将基带信号调制到THz频段上，然后发送出去。在调,制器内，基带信号与THz载波通过某种方式混合后，就完成了基带信号对载波信号的调制。在这里通常是载波和基带信号同时被耦合到一个非线性特性的二极管中，完成调制的。,通信信道：这里主要指的是载有信息的THz波从调制器发射出去后，传,播到接收端的这段通道。一般指自由空间，大气中的水分会影响THz辐射波的。,解调器：其功能是将接收到的已调制THz波中的信息解调出来送给受信,者。这里一般指THz探测器，它负责提取载波中的信息。,受信者：消息最终所要传送的对象。,THz通信几个研究计划,美国航空航天局(NASA)和美国空军科学研究办公室实验室(AFOSR)。(AFRL)的传感器研究部研究空军成像、通信和预警用的紧凑创新的SiGe基THz源和探测器。空军的另一应用为安全短距离大气通信。,欧盟第五框架计划资助的WANTED工程,(WirelessAreaNetworkingofTerahertzEmittersandDetectors),欧盟第五框架计划资助的NanoTera工程,(BallisticNanodevicesForTerahertzDataProcessing),THz波通信的实现情况(一)声音信号的传输德国Braunschweig技术大学的Koch等2004年首次实现用THz辐射传输音碟数据信号的实验.调制器由GaAs/AlGaAs异质结2-d电子气构成,音碟输出的电信号调节电子气的密度,对THz辐射调制,传输距离1m然后通过天线解码,发送到扬声器.,ElectronicsLetters40Jan.(2004),THz波通信的实现情况(二),2005年美国的EricR.Mueller和Anthony,J.DeMaria提出的超高宽带通信方案：,1）该系统运行在2.5THz时，可以得到160GHz的信息,速率,2）系统的每个部分如果能得到改进的话可以得到更大,的信息速率,中科院微系统所中红外激光器演示系统,THz在半导体物理与器件研究中的应用,THz量子级联激光器(QCL)半导体THz发射光谱的研究,THz在半导体子带结构及载流子输,运性质研究中的应用,THz光谱技术在半导体超快动力学,研究中的应用,THz超快光电子学研究,大规模集成电路成像检测,THzSignal(a.u.),Air,Chip,-0.4,12,8,4,TimeDelay(ps)THz电磁波可以穿透芯片的封装外壳，将其内部结构以图象反映出来,成像技术摩托罗拉公司IC芯片的THz图象,THz-学术前沿,包括Nature,Science论文20余篇,2006年到现在共935篇文章,www.TH,太赫兹波,研究在中国,THz研究在中国,2005.11召开THz香山会议,ThepresentstatusinChina,中科院物理所(THz时域光谱和成像，高功率THz脉冲源),中科院上海微系统所(新型半导体THz源-QCL),首都师范大学(生物样品的THz探测，层析成像),西安理工大学(新型光电导THz器件),中科院西安光机所(基于飞秒激光器的THz源),上海交通大学(THz辐射与凝聚态体系的相互作用),中国电子科技大学(新型THz源，微波技术),南京大学(THz探测),中国科学院紫金山天文台/国家国家天文台(THz天文应用),天津大学激光与光电子研究所（基于光学、光子学及非线,性光学的太赫兹(THz)辐射源，小型化、窄带连续、准连续THz源）,Institute#9,中科院上海应用物理所(同步辐射THz源),中山大学，深圳大学(OpticalpumpedTHzsource),国家科技部,自然科学基金委,863（民口和军口）,第270次香山科学会议(太赫兹科学技术为主题),我国政府和各研究机构的广泛重视,电子科技大学，天津大学，南京大学，首都师大,中山大学，国防科大,上海交通大学,西安理工大学，深圳大学,南开大学,清华大学等,上海微系统所,中国科学院物理所，紫金山天文台,西安光机,所，中科院上海应用物理所,半导体所等,THz-国内研究动态,2007我国首个太赫兹973计划获得立项总经费：3600万元课题承担单位：中科院上海微系统所，电子科技大学，中科院物理所，天津大学南京大学，南开大学，中科院西光所，首都师范大学,课题1课题2课题3课题4课题5课题6课题7课题8,基于真空电子学太赫兹辐射源基础研究；太赫兹量子级联激光器的研究；光子学与非线性光学产生太赫兹辐射源的基础研究；太赫兹辐射的高灵敏检测技术基础研究；太赫兹波与凝聚物质相互作用研究超强等离子体太赫兹辐射物理研究；太赫兹传输特性及磁光子晶体波导研究；太赫兹波谱与成像研究。,太赫兹技术研究的内容,半导体，真空电子、激光，等离子体,电子学,光子学,THz应用,研究内容,THz探测、传输,THz与物质的作用和探测机理,二、THz辐射源,电子学,光子学,THZ半导体物理学,THzsource,Theelectronicsmethod（基于电子学的THz,辐射源）,BWO反向波振荡器（BackwardWaveOscillator,BWO）,THzGyrotrons,Freeelectronlaser（自由电子激光器（FEL）Prionotron浅掺杂的P型锗半导体激光器,Quantumcascadelaser(QCL)量子级联激光器,光泵浦,Opticalpumping,光整流,Opticalrectification,光电导THzphotoconductiveantenna,光学受激效应Opticalstimulated,表面发射效应Surfaceemissioneffect,Surfaceplasmonpolaritons,光学倍频及差频效应SHGandDFG,基于周期微结构材料和固体非线性材料的光学参量振荡(TPO/TPG),光学Cherenkov效应等非线性效应,QCL,Freeelectronlaser,基于光学、光子学及非线性光学的太赫兹(THz)辐射源,参量（TPO）(3)(,基于光学技术的THz源的技术途径,(2)(0,),光电导光整流,3、利用非线性频率变换过程产生THz波差频