国内外太赫兹技术发展及应用

国内外太赫兹技术发展及应用 太赫兹 THz 指的是电磁频谱上频率为0 1 10THz的辐射 波长范围为0 03 3mm 介于无线电波和光波之间 太赫兹 波具有穿透性强 使用安全性高 定向性好 带宽高等技术 特性 太赫兹是电磁波谱最后的处女地 具有独特的优越性及极重 要的应用 是新一代产业的科学技术基础 太赫兹科学综合 了电子学与光子学的特色 是典型的交叉前沿科学领域 蕴 含着原创性重大机理和方法并亟待突破 具有重大的科学意 义 太赫兹科学技术也将是后摩尔时代信息技术发展的重要 支撑 因此世界各国都对太赫兹技术进行了广泛而深入的研 究 并获得了一系列成果 太赫兹技术的发展过程在美国国 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 都在开展THz科学技术的研究工作 美国国 家基金会 NSF 国家航空航天局 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 如航天飞机表面隔热材料THz成像检测系 统 THz 雷达 安检系统 环境监测设备等 欧洲的一些国家相继建立THz 科学研究机构 已取得了较大进展 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 I GP及一些大学也都在积极开展THz研究工作 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 福井大学以及各公司都大力开展THz的研究与开 发工作 特别在THz通信方面取得了重要进展 研发出120G Hz 毫米波无线通信系统和300GHz 400GHz的无线通信系统 目前的移动通信无线接入网络均是采取低于5 GHz频点的物理频段 并采取高阶调制方式 比如QAM 来提 高无线频谱资源利用效率与有限带宽内的移动接入速率 近年来 我国的政府机构和科研院校高度关注THz研究 已 建立起几十个THz研究中心 实验室 如中国科学院THz固 态技术重点实验室 中国工程物理研究院THz科学技术研究 中心 北京市THz与红外工程技术研究中心 北京市THz波谱 与成像重点实验室 中国计量学院THz技术与应用研究所等 等 这些单位在THz源 真空电子学 光子学 量子级联激光 器的THz辐射源 超导探测 特殊材料 成像及波谱分析等领 域取得了大量具有国际先进水平的研究结果 促进了THz技 术的研究发展 近年来 随着超快激光技术的迅速发展 太赫兹脉冲的激发 光源得以更加稳定和可靠 为进一步研究太赫兹波谱技术创 造了条件 另外 太赫兹成像及检测技术也受到了各国政府 科研机构 高等院校等研究单位的高度重视 与此同时 各 种机制的太赫兹辐射源 探测器以及一些关键功能器件的研 究也在飞速发展 为太赫兹技术在国防 航空航天 生物医 药 通信等领域的应用奠定了基础 由于太赫兹波所具有的 独特的性质以及这一波段的技术空白 使得太赫兹技术有着 广阔的应用前景 THz的强透射能力和低辐射能量以及国家在公共安全检测方 面的重大需求 比如检测毒品 以及在要害部门 场所的安 全监控 如机场安检 使得THz辐射有望成为一种新的公共安全监控 技术 由于THz既可以用于成像 又可以用于波谱分析 且其 穿透能力极强 所以可以用其来实现非接触 非破坏性的探 测 通过THz不仅能够检测出携带有武器的乘机者 还可以 检测旅客携带的特殊物品 另外危险爆炸品 非法走私物品 和无害的化妆品 也可以通过太赫兹来进行区分 科学家们 曾预测 在不久的将来 THz成像技术将成为机场 车站及海 关等公共场所安全检查的新手段 太赫兹技术已经在能源 检测等方面取得了巨大进展 在通信 雷达等应用方面取得 多项标志性成果 高分辨太赫兹雷达与成像 高速大容量太 赫兹通信系统已成为太赫兹技术空间应用的重要发展方向 在成像识别 星间高速大容量数据通信 太赫兹频谱监视等 方面具有良好的发展前景 THz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 如军事作战中 探测敌对 分子的武器藏匿处以及显示前方灰尘或烟雾中的坦克 如果 能够在远距离雷达成像应用中很好地解决THz宽带反隐身雷 达技术 THz远距离传播相应的散射问题 THz传播过程中的 相位相干性问题 图像分辨率问题等 THz在军事方面的应 用将呈现出百花齐放的局面 由于THz通信具有大气不透明 带宽宽 天线小 定向性好 安全性高和散射小等特点 决 定了其应用领域非常广泛 包括卫星间星际通信 同温层内 空对空通信 短程地面无线局域网 短程安全大气通信以及 发展THz通信理论 关于THz军事通信的研究计划也层出不 穷 如 美国航空航天局 NASA 美国空军科学研究办公室 实验室 AFOSR 和美国空军研究实验室 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 欧盟第五框架计划资助的WANTED工程 wirele ss area net working of terahertzemitters and detectors 及欧盟第五框架计划资助的NanoTera工程 由于很多生物大分子及DNA分子的旋转及振动能级多处于 太赫兹波段 生物体对太赫兹波具有独特的响应 所以太赫 兹辐射可用于疾病诊断 生物体的探测及癌细胞的表皮成像 计算机辅助层析成像技术是在X射线领域首先发展并应用 起来的三维解析成像技术 太赫兹波也可以应用于计算机辅 助层析成像 太赫兹层析成像对物体的反映是多方面的 不仅可以获得物 体的吸收率的分布 还可以得到物体的折射率和材料的三维 分布 但是太赫兹波成像有2个固有的限制 其一 它不能穿透金属 金属表面几乎可以100 的反射太赫兹辐射 因而太赫兹波 不能探测金属容器内的物体 其二 液态水对太赫兹波有强 烈的吸收 太赫兹检测与其他无损检测技术相比 在检测非金属材料内 部缺陷方面具有独特优势 太赫兹波可以穿过不透明的材料 检测到可见光探测不到的内部缺陷 它还可以用于绝热材 料 对于这种材料热成像失效 和射线相比 它对人体不构 成辐射危害 还能为软材料提供更好的对比度 与超声波相 比 它可以根本不接触物体表面便实现成像 而且在有些材 料中声波极度衰减 太赫兹波对于这些材料却适用 在太赫兹无损检测装备领域 主要供应商有Luna Innovation Teraview Menlo System和Becker