太赫兹科学技术的新发展-刘盛纲

1、.：.； HYPERLINK mwtee/thread-37443-1-1.html 太赫兹科学技术的新开展刘盛纲mwtee/thread-37443-1-1.html一、前言THz波是指频率在0.11 0THz波长为300030微米范围内的电磁波，1THz=1012Hz。由图1可见，它在长波段与毫米波亚毫米波相重合，而在短波段，与红外线相重合下，可见，太赫兹波在电磁波频谱中占有很特殊的位置。由于多种科学技术缘由，特别是THz波源的问题未能很益处理，太赫兹波科学技术的开展遭到很大的限制，从而使其运用潜能未能发扬出来，如Fi g.2所示。如Fig.1所示，人们提出THz空白THz Gap的概念。

2、其实THz Gap可以有以下几方面的意义：1THz所处的位置正益处于科学技术开展相对较好的微波毫米波与红外线光学之间，构成一个相对落后的“空白。2THz的长波方向，主要依托电子学Electronics科学技术，而THz的短波长方向那么主要是光子学(Photonics)科学技术，从而在电子学与光子学之间构成一个Gap。这点具有深化的物理含义，将在THz源一节中详细讨论。图2a表示半导体器件和激光器件主要是量子级联激光的任务频率范围。可以看到，一切的半导体器件目前都难以到达THz波段，而量子级联激光的任务频率可以从光波向THz延伸下来。红线表示2002年以后的开展情况。图2b那么表示真空电子学TH

3、z源的开展情况。可以看到：某些真空电子器件的任务频率曾经从微波毫米波波段逐渐向THz推进，而FEL的频率那么不受限制，可以任务在整个THz波段。要指出的是，真空电子学THz源的迅速开展，也是近几年发生的。 由于THz所处的特殊电磁波谱的位置，它有很多优越的特性，有非常重要的学术和运用价值有的已处于适用，使得全世界各国都给予极大的关注。美国、欧州和日本尤为注重。1在美国包括常青藤大学在内有数十所大学都在从事THz的研讨任务，特别是美国重要的国家实验室，如LLNL，LBNL，SLAC，JPL，BNL，NRL，ALS，ORNL等都在开展THz科学技术的研讨任务。美国国家基金会(NSF)、国家航天局(

4、NASA)、能源部(DOE)和国家卫生学会(NIH)等从90年代中期开场对THz科技研讨进展大规模的投入。2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KFZ，BESSY，Karlsruhe，Cohn，Hamburg及假设干所大学，都积极开展THz研讨任务。欧洲国家还利用欧盟的资金组织了跨国家的多学科参与的大型协作研讨工程。在俄国国家科学院专门设立了一个THz研讨方案，IAP，IGP及一些大学也都在积极开展THz研讨任务。3在亚洲国家和区域，韩国国立汉城大学、浦项科技大学、国立新加坡大学、台湾大学、台湾清华大学等都积极开展THz研讨任务，

5、并发表了不少有分量的论文。4日本于2005年1月8日，公布了日本国十年科技战略规划，提出十项艰苦关键技术，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SLLSC，NTT AdvancedTechnology Corporation，etc等公司都大力开展THz的研讨与开发任务。可见，目前曾经在全世界范围内构成了一个THz技术研讨高潮。本次香山会议的目的是尽能够集中我国的科学技术智慧，研讨和讨论THz科学技术及其运用的开展现状和前景，研讨和讨论并提出对我国THz科学技术及其运用开展的战略思索和研讨任务的意见和建议，供政府指点参考。因此，本次会议意义艰苦。经过慎重研讨，本

6、次香山科学会上的报告是这样安排的：安排了一个主题报告。在THz科学技术及运用中辐射源和检测技术是两个主要问题。对这两个方面安排了四个专题报告。成像和光谱技术对于THz辐射的运用来讲是很关键的，安排了两个专题报告。真空电子学对THz辐射源能够有很重要的奉献，安排了一个专题报告。光子晶体在THz波功能器件方面占有重要位置，安排了一个专题报告，会议还安排了THz科学技术在天文学方面的运用的专题报告。本来很想安排一个有关THz科学技术在生物医学方面运用的专题报告，但因一时无法找到适宜的报告专家而未能实现。但是，与会专家也可暂时在会上就某一问题作简短报告。 在这次香山科学会上，专题报告的安排如下：专题报

7、告1姚建铨专题报告2汪力专题报告3张存林专题报告4曹俊诚专题报告5吴培亨专题报告6史生才专题报告7盛政明专题报告8刘盛纲二、太赫兹辐射的主要特征 1量子能量和黑体温度很低Wave numberWavelengthFrequencyEnergyBlackbody Temp.1cm-110mm30GHz120eV1.5K10cm-11mm300GHz1.2meV15K33cm-1300m1THz4.1meV48K100cm-1100m3THz12meV140K200cm-150m6THz25meV290K670cm-115m20THz83meV960K 2许多生物大分子，如有机分子的振动和旋转频率

8、都在THz波段，所以在THz波段表现出很强的吸收调和振。 3THz辐射能以很小的衰减穿透物质如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等，因此可用其探测低浓度极化气体，适用于控制污染。THz辐射可无损穿透墙壁、布料，使得其能在某些特殊领域发扬作用。4THz的时域频谱信噪比很高，这使得THz非常适用于成像运用5带宽很宽0.110THz。6很短的THz脉冲却有着非常宽的带宽和不同寻常的特点。三、太赫兹的重要战略意义 艰苦科技工程，国家艰苦目的经过近十几年来的研讨，国际科技界公认，THz科学技术是一个非常重要的交叉前沿领域。由于THz的频率很高波长比微波小1000陪以上，所以其空间分辨率很高。又由于脉冲很短飞秒

9、，THz辐射具有很高的时间分辨率。THz成像技术及THz波谱技术就构成了THz运用的两个主要关键技术。另一方面，THz的能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以与X射线相比，它又有很大的优势。Yale大学 CASchmutenmaer教授在今年IRMMWTHz国际会议上做大会特邀报告，标题为“Learning Chemistry and Physics to Terahertz利用THz重新学习化学和物理学)。可见，国际科技界对THz的注重。国际科技界对THz辐射有以下几点认识：l、THz辐射是一种新的、有很多独特优点的辐射源。2、THz技术为科学技术的创新、国民经济开展和国家平安等方面提供了一

10、个非常诱人的机遇。因此，积极开展THz科学技术的研讨任务对我国具有重要的战略意义。A科学研讨的新的强有力的新方法1THz成像和THz波谱学在物理学、化学、生物医学、天文学、资料科学和环境科学等方面有着极其重要的运用。2THz波不仅可以成像而且可以作为一种特殊而有效的探针，对物质内部进展深化研讨，提供关于物质的化学及生物成分、波谱特性、THz标志、量子互作用过程等重要信息。例如：利用THz很高的时域分辨率研讨CdSe光导量子过渡景象，研讨Ti02纳米晶格中载流子的输运过程，以及研讨调控原子分子的无辐射量子跃迁等方面均获得了重要的新成果。THz量子光学及量子计算机运用及强磁场下半导体的THz辐射等

11、方面都作出了很突出的成就。利用强功率THz辐射可激发起物质内部原子及分子的非线性动力学过程，从而利用大功率超短脉冲THz可以在分子程度上研讨物质的非线性特性。3THz在等离子体检测方面也有重要的优势。利用THz辐射可以探测出高温、高密度等离子体中密度的空间分布。THz在天文学研讨上的运用显得很突出，科学家们在南极建立了一个挪动天文站，利用THz望远镜察看到很多重要的新星体，对于研讨宇宙的来源和星体的构成有重要的意义(值得一提的是我国在2005年初，也在南极建立了一个研讨站)。因此，国际科技界以为，THz辐射能够引发科学技术的革命性开展BTHz技术对国民经济开展将起着重要的推进作用1THz在生物

12、医学上的应器具有很大的吸引力。在皮肤癌的诊断和治疗，DNA的探测，THz的医学运用，THz断层成像，THz生物化学运用，药物的分析和检测等方面都显示了其强大的功能和效果。基于对蛋白质及基因特性等的研讨，可建立起THz生物分子诊断技术。从而极大推进分子生物学的开展，并在医疗及药品的研制鉴定方面有很大的运用前景。2由于生物大分子的振动和转动频率均在THz波段，而THz辐射技术又可提取DNA的重要信息，因此，THz在植物，特别是粮食选种，优良菌种的选择等方面可以起重要的作用。总之太赫兹科学技术对农业、食品加工等行业有重要意义。THz在生物医学上有广泛的运用前景，以下图表示在THz对皮肤癌的诊断和运用

13、。3THz辐射可以穿透烟雾，又可检测出有毒或有害分子，所以在环境监测和维护方面可以发扬重要作用。据报道，THz环境监控设备利用CO2激光作为泵源产生的2.5THz)已安装在美国卫星上。CTHz在国家平安、反恐方面的运用有着独特的优势1利用THz可以穿透物质的特性，英国首先研制了THz摄像机并且已在机场平安检查方面进展试用，效果很好。特别重要的是美国橡树岭国家实验室ORNL和田纳西大学协作，开展“穿墙方案Through wall Program，利用THz成像技术从外部获得墙内信息。显然，这项穿墙技术在国家平安方面有很重要的价值此外，利用THz波谱可以快速、有效的检查和识别毒品，美国已开展用TH

14、z谱技术检查邮件等工程，包括THz化学和生物制品的检测。2THz在雷达和通讯等方面的运用也有很大的潜力。THz在太空通讯方面的宏大优势是没有疑问的。THz的大气窗口也已研讨过(图6所示)。THz雷达在反隐身方面有特殊的功能。下面的报告中谈判到大功率THz辐射源的问题，这方面的研讨任务是为THz雷达等做预备的。THz卫星太空成像和通讯技术能够是今后大国关注的重要领域。3THz运用于航天飞机能够缺点的探测哥伦比亚号航天飞机失事之后不久，根据航天飞机发射时拍摄的录像资料，提出了对失事缘由的分析。美国一个实验室已进展了实验。所采用的THz脉冲中心频率为lTHz，频带宽度为3THz。经过多次实验，尤其是

15、最近的对PALRamp SOFI绝热泡沫层的胜利探测，充分证明THz脉冲确实可以对航天飞机进展有效的无损探伤。我国太空开展方案一定会需求这样的技术。D、THz科学技术是新一代IT产业的根底1科学家们估计，一旦THz辐射源、THz检测技术等开展以后，THz可以在现代IT科学技术和工业领域有极强的竞争力。下面将要阐明这种竞争实践上曾经开场。2随着THz科学技术的开展，很多高科技公司相继诞生，例如：英国Rultherford国家实验室(Rutherford Appleton LabRAL)及欧洲航天局(ESA)于2002年起，执行Star Ti ger 方案胜利后，建立了一个公司ThruVision

16、公司，专门从事有关THz成像的商品化任务，开发出被动式THz成像仪，有以下特点：a被动式不需求THz源；b可实时成像。英国剑桥大学孵化出(Spinoff)一个高科技公司一TeraView Ltd从事THz摄像机的开发；3美国Michigen大学及Stanford大学孵化出Picometrix；Physicalscience Inc；Calabazas Creek ResInc等公司。基地设在加州的Picometrix公司的义务是“将THz科学技术交给政府及大学实验室手中，以便他们用于各项研讨任务。4日本也有很多公司，它们曾经在从事包括高功率THz源在内的有关THz科学技术的研讨、开发及成果的商

17、业化等任务。可见，以THz科学技术为根底的新一代IT产业已开场逐渐构成。E研讨THz技术本身就是一门重要的学科如各种THz辐射的产活力制、超短脉冲THz的传播和传输、THz与物质的相互作用等。下面给出几幅THz成像及THz波谱的构造框图。其中，有一幅是JPL研制的150微米的THz成像框图。由这些框图可以看到THz成像和THz波谱的开展和运用。同时也可以看到为了建立THz成像和THz波谱需求研讨哪些THz器件和元件，如：THz源，THz检测，混频，THz传输、谐振等，以构成一个完好的THz成像和THz波谱系统。从下节起，我们将讨论这些器件和元件。四、太赫兹辐射源有很多方法都可以产生THz辐射。

18、1 半导体THz源包括THz量子级联激光器等。2 基于光子学的THz发生器。3 利用自在电子的THz辐射源包括THz真空器件，电子盘旋脉塞和自在电子激光。4 基于高能加速器的THz辐射源不同的用途对THz源能够提出不同的要求。有点要求输出功率较大，有的要求有较适宜的频率。2002年在Nature上发表了两篇THz源的重要文章。这两篇文章对THz源的开展起到了很大的推进作用。1“Terahertzsemiconductor heterostructurelaser，Nature417，156159，2002By Italian and UK Scientists，Radiomen Kiblen

19、etc，It is considered as a breakthrough in the Quantum cascade lasers2“High power TerahertzRadiationFromRelativisticElectronics，Nature 420，153156，2002，这篇文章被Nature编辑部确定为“研讨亮点(Research highlights)这项任务是由以下三个美国国家实验室：Lawrence Livermoe，Brookhaven and Jeffersan NationalLabs完成的。两篇文章中一篇是有关量子级联激光的突破，这是一种非常重要的半

20、导体THz辐射源。另一篇是基于自在电子的有关高功率THz辐射的，结合了光子学和电子学技术。1、半导体太赫兹源固态THz源具有小巧、价钱低廉和频率可调的特点，是人们希望的一种THz源。但半导体器件的任务频率难于到达1THz以上，而半导体THz激光器，特别是THz量子级联激光器是目前的开展重点之一。第一篇关于量子级联激光的文章有Melvin Lax等发表于1960年，其后于1994年起，Bell实验室的JFaist做了很多有益的任务Science，264，22，1994)。在俄国这方面的任务也做了不少(Kazarinov，SovPhysSemi5，207，1971)，但实验长期没有突破。朗讯曾把Q

21、CL作为一个研发重点，但没有结果。直至2002年由英国和意大利科学家获得突破Nature 417，156159，2002。量子级联激光器(QCL)是以异构造半导体GaAsAIGaAs的导带中的次能级间的跃迁为根底的一种激光器。利用纵向光学声子的谐振产生粒子数反转。2002年的结果是频率4.4THz，温度50K，脉冲功率20mW。以后，很多国家都积极开展QCL的研讨任务，采用了不同的资料。到2004年，美国MIT最新的结果是：2.1 THz，CW功率lmW(温度93K)，脉冲功率为20mW温度K。到2005年，MIT QCL曾经用于THz成像，可见THz技术开展的速度比我们想象的要快得多。在我国

22、，中国电子集团南京55所，渡越雪崩二极管可以做到0.1THz。中国科学院上海微系统研讨所和中国科学院半导体研讨所，已开展QCL的研讨任务并已作出一定的成果。半导体THz辐射源已安排了一个专题报告进展详细论述。2、基于光子学的太赫兹辐射源飞秒激光脉冲的开展给THz源带来了很大的机遇。曾经开展了很多基于飞秒激光脉冲和非线性光学晶体的THz激光源。如THz光导天线、光整流、非线性差频、THz参量振荡器和放大器TPG，TPO，TPA和光学Cherenkov辐射等等。这种方法产生的THz辐射，可以是脉冲的，也可以是延续波的。以下图表示光脉冲经过非线性光学晶体产生THz辐射的典型情况。差频发生器DEG，是

23、一个三波混频非线性过程。这方面的研讨任务，我国天津大学等单位，也已开展了研讨任务，并作出了一定的成果。详细内容将在专题报告中给出。3、基于真空电子学的太赫兹源近儿年来，随着THz科学技术的迅速开展，利用真空电子学产生THz辐射的研讨任务获得了很大的提高，其中包括真空电子器件、电子盘旋脉塞、自在电子激光、Cherenkov辐射，甚至运用储存环加速器来产生高亮度THz辐射。某些真空电子器件如返波管BWO、扩展互作用振荡器E1O、绕射辐射器件(Orotron)等的任务频率己接近或到达1THz。盘旋管可望在1THz产生千瓦级的脉冲输出，平均功率可达几十瓦以上。特别是由CIT的JPL实验室等研讨的“纳米

24、速调管可望在13THz频率上任务。纳米速调管结合了电子学、光子学和微加工技术，是很有创新意义的一种新器件。纳米速调管由于运用微加工技术，所以保证每个纳米速调管频率和相位的一致性，因此可以组成纳米速调管阵列，以大大提高输出功率。利用构成THz阵列辐射源是提高THz辐射功率的一个重要途径。自在电子激光可任务于THz。自在电子激光的波长主要取决于摇摆器的周期和电子束的能量： 42 12-1 v/c 其中w是摇摆器周期，是相对论因子。今年1月13一14日，在美国Honolulu召开的THz辐射源研讨会上，报告了一篇用lMeV静电加速器的FEI，可以在2mm到500微米，0.156THz，产生lkW的准

25、延续波输出，这一结果被以为是迄今为止最重要的成果之一。2002年，在Nature上发表的另一篇论文表达了电子学和光子学相结合的方法。利用飞秒激光照射GaAs光学晶体，发射出电子束，再用加速器将电子束加速到40MeV。电子在磁场作用下作旋转运动从而发射出THz辐射，由于电子束的尺度远小于波长，所以辐射是相关的。实验结果可以得到20w延续波的THz辐射。所以，如前所述，Nature编辑部将这篇文章定为研讨亮点。我国真空电子器件已有相当好的根底，盘旋管的研讨任务已在电子科技大学和中科院电子所进展，在0.1THz已作出近100KW脉冲输出的盘旋管。FEL己在中科院高能物理所、中国工程物理研讨院、北京大

26、学和电子科技大学进展，并获得一定的成果。利用自在电子产生THz辐射的详细论述将在另一专题报告中给出。五、太赫兹波段信号的检测在THz波段的开发和利用中，信号的检测具有举足轻重的重要意义。由于，一方面，与较短波长相比，THz波段光子能量低，背景噪声经常占据显著的位置；另一方面，为了充分发扬THz系统的作用例如，发现更微弱的目的、在更远的间隔 上通讯等等，不断提高接纳的灵敏度也是必然的追求。在不同的频率应选择不同的检测器。在THz的低端，普通倾向于外差式的检测器，而在THz的高端，直接检测器的灵敏度似乎更胜一筹。有关的简况和进一步开展的建议如下。脉冲THz信号检测的两种方法：a光导天线；b电光取样

27、。CW THz信号的检测1超外差式检测器对于频率稍低而谱线分辨率非常重要的场所a室温肖特基二极管混频器，目前的普通程度是本振功率0.5 mW单管或35mW多管。辐射计的最小可检测温度是0.05K500GHz或0.5K2500GHz，积分时间1秒，带宽1GHz。今后应着重于降低其噪声和所需的本振功率。b超导体一绝缘体一超导体SIS结混频器，以及以之为前端的接纳机多用在100700 GHz的频率范围，最近已推进到1200 GHz，并将在2007年用于空间飞行FIRST，全称Far Infra Red and Submillimeter space Telescope；现改称European Spa

28、ce Agencys Herschel)。c热电子测热电阻HEB混频器，以Nb，NbN，NbTiN，Al，YBCO等资料制成尺寸为微米量级的微桥，THz信号的热效应，使它们有灵敏的呼应，呼应时间也极快快声子或电子分散的机制。比SIS结混频器的任务频率更高。作为混频器运用，电压呼应是在皮秒的量级，因此中频可以到达几千兆，甚至15千兆取决于资料、尺寸、冷却机制。目前任务频率已高达5THz，噪声温度约为量子极限的10倍左右，本振功率1100nW的量级。热电子测热辐射计(HEB)：金属在低温下的热容很小，声子与电子系统是去耦的。外加的辐射只加热电子，其温升可以测出。肖特基二极管混频器室温高灵敏超外差检

29、测技术详细的器件2直接检测器对于频率更高但并不需求极高的谱线分辨率的场所a室温的直接检测器，种类很多，如：小面积GaAs肖特基二极管用作天线耦合的平方率检测器；直接吸收热量后引起电阻变化的普通铋测热电阻；有温度计和读出电路与辐射吸收器集成在一同的复合测热电阻铋、碲；高兰泡充气室内吸收热之后，体积有变化，使镜子偏转，用光放大器测出；声测热电阻用光声检测器测出气泡受热后压力的变化；微测热电阻用天线把功率耦合到小的吸热区域；快速量热计；等等。目前，这类直接检测器的标定是很大的问题，呼应时间约为秒的量级；灵敏度不高几微伏。我们今后的任务应该是：改良和用好已有的器件，使之符合我们的研讨的需求b冷却的直接

30、检测器，其中，目前已有商品的如：液氦冷却的硅、锗或InSb复合测热电阻，呼应时间微秒的量级，4K时噪声等效功率NEP约为10-13WHz的量级，冷到毫度时有很大的改良。不少商品的红外检测器对THz也能呼应。在冷却的直接检测器方面，还有一些目前没有商品的，如：超导转变边缘测热电阻超导薄膜条偏置在超导一正常转变的边缘；悬置的微加工的硅条镀以铋，以获得理想的电阻一温度特性，并由此制成阵列；超导一绝缘一正常金属SIN隧道结复合测热电阻。这些检测器的NEP约为10-17到10-18 WHz的量级。超导热电子测热电阻(HEB)也可用于转变边缘检测器，NEP约为10-20wHz的量级。 我们今后的任务应该是

31、：提出新型的THz波检测构造或改良国际上虽已着手研讨但尚有许多改良余地的器件。 鼓励研讨THz信号于物质的相互作用，从中发现新的物理效应，据以研制THz信号检测器，留意国际上研讨任务的新动向例如，用高磁场中冷却至50 mk的单电子晶体管和量子点，探测入射的THz光子。 研制以超导体绝缘体超导体SIS结混频器、热电子测热电阻HEB混频器为前级的THz波段接纳机，实践运用于天文、环境监测登方面。THz的单光子检测单电子晶体管和量子点高磁场&50 mK)NEP10-22 WHz呼应时间：毫秒优先鼓励研讨THz信号与物质的相互作用，从中发现新的物理效应，据以研制新型THz检测器，留意国际上研讨任务的新

32、动向。我国南京大学和紫金山天文台也已开展了THz检测和接纳方面的研讨任务，并获得了一定的成果。THz检测方面的详细内容也将在专题报告中给出。六、太赫兹功能器件为了组成THz系统，例如THz成像和THz波谱等，除了THz源和检测系统外，其内部衔接也是非常重要的，所以需求一些功能器件，如传输系统、谐振系统等。曾经提出了很多种不同的传输系统，如：太赫兹金属不锈钢波导，太赫兹铁电聚合物包层波导PVDF，太赫兹塑料带状平面波导，太赫兹单模蓝宝石光纤等，但研讨发现，简单的直径0.9mm的金属导线波导性能能够最好Nature 432，p377，2004，如下图。此外光子晶体在THz功能器件中能够会有重要的奉

33、献。光子晶体是折射率在空间周期性变化，存在一定光学能带间隙的介质构造，具有一定的光学禁带和通带，对于某些波长是不能透射过。光子晶体的折射率在空间陈列的周期是波长量级。光子晶体的资料对任务波段的光的吸收很小。虽然光子晶体的实际根底是建立在Maxwell方程根底上，而半导体的实际根底是建立在Schrodinger方程根底上的，它们分别属于电动力学和量子力学的范畴。但是可以证明：在光子晶体的条件下，由Maxwell方程和Schrodinger方程，可以得到一样的结果。假设比较薛定谔方程和动摇方程：(薛定谔方程)(动摇方程)以下两式假设成立：那么由薛定谔方程和动摇方程可得到一样的结果。由于光子晶体折射

34、率的陈列与晶体中原子的陈列类似，都具有周期性，分析时都可以引入布洛赫波函数，因此可以得出：当光子晶体中折射率周期为波长量级时可以出现与固体能带实际中的禁带相类似的光学禁带。从开展历史上来看，光子晶体的研讨是源自于对光子的两个根本景象的研讨1987年同一期PRL上发表的2篇文章。LocalizationofLightS.John，Phys.Rev.lett.58，24861987.Inhibition of Spontaneous EmissionE.Yablonovitch，Phys.Rev .Lett.58，20591987 现实上，在此之前人们早已运用了光子晶体；微波中的慢波构造和光学中的

35、布拉格光栅，它们都属于一维光子晶体。1991年制造出第一个人造三维光子晶体Yablonovite型光子晶体。 最早由STJRussell等人于1992年提出的光子晶体光纤是典型的二维光子晶体。1998年报道了第一个真正利用光子禁带PBG导光的光子晶体光纤。VBerger于1998年提出非线性光子晶体。二维光子晶体 与固体能带实际类似，在完美的光子晶体中也可以引入杂质和缺陷，使严厉的周期构造破坏，这些缺陷可以束缚一定频率的光子，产生局域化的能级，这部分局域态位于光学禁带之中。 在光子晶体中也可以引入不同类型的缺陷；点缺陷，线缺陷和面缺陷等。这些缺陷的控制是光子晶体实现各种功能的根底。缺陷态与局域

36、态利用光子晶体的局域态可以制备光子晶体的波导，微腔，环形谐振腔，分束器，耦合器等波导器件，可以制备出微小型平面光学回路PLC，也能够实现三维光学回路模块。光子晶体具有某些独特的光学特性，如微腔的高Q值性，超棱镜，大群折射率和负折射率等，使制备无阈值激光器，高效光放大器或其他功能器件成为能够。利用光子晶体的非线性光学效应，使制造出光开关、光二极管，光三极管，光逻辑回路等器件成为能够，是制造全光集成芯片的根底。光子晶体在近代科学技术特别是光学上有很多重要的运用。这里我们仅讨论光子晶体在THz技术中的运用。虽然光子晶体在THz技术中主要可以用来作为各种功能器件：1光子晶体THz传输线、波导2光子晶体

37、THz谐振腔3光子晶体THz滤波器4光子晶体THz波偏振器5光子晶体THz波开关6光子晶体THz波混频器7光子晶体THz波天线下面举出光子晶体在THz科技中运用的实例。1THz波在光子晶体中的传播，德国半导体研讨所Instituts frHalbleitertechnik)研讨了THz波在光子晶体中的传播，结果阐明：THz波在硅二维光子晶体中能很好的传播，实际和实验相符。2德国Freiburg大学Sherwin Group运用了激光化学蒸汽堆积技术用Al203陶瓷资料研讨制造了THz波光子晶体。 3美国UCSB(圣芭芭拉大学)Sherwin Group研讨制造了THz波光子晶体谐振腔。用硅资料

38、运用离子蚀刻技术制成了三维光子晶体。 4日本Osaka University用彩色打印机制造THz金属光子晶体5日本物理化学研讨所最近用多层约瑟夫结制造THz光子晶体滤波器(PRL94，157004，2005) 6光子晶体THz谐振腔美国University of Delaware用硅光子晶体制成，微盘构造microdisk光子晶体微谐振腔。为了开展THz光子晶体功能器件，需求做好以下研讨任务：1实际研讨：光子禁带的实际根底研讨，如新型光子晶体及其光子能带特点，慢变构造光子晶体，光子晶体非线性特性研讨等2功能器件的研讨及设计：THz光子晶体传输特性的研讨，THz光子晶体滤波器的研讨，THz二维

39、光子晶体谐振腔的研讨，THz光子晶体波分复用器件，THz光子晶体开关，THz光子晶体天线。实践上光子晶体本身就是一门交叉学科，许多领域有待研讨和开发，有着重要的研讨和运用价值，在光学及其他相关领域如光通讯等有很重要的运用。我们这里只研讨光子晶体在THz科学技术中的重要运用。七、结语THz科学技术是重要的开展极其迅速的交叉学科前沿，世界各国都给予极大的注重。由于THz处于电磁波谱的特殊位置，它具有极重要的学术价值和独特的性质，从而使它具有非常重要的多方面的运用。THz科学技术开展至今不到20年，很多关键技术问题，如THz辐射源及THz检测技术等尚不够成熟。但是THz辐射的运用已在大力开展，并获得很多重要的成果。相关的THz成像和波谱技术也曾经并正在快速的开展。随着THz科学技术及其运用的迅速开展，很多大学和研讨机构的研讨成果孵化出一批高科技产业正在推进新一代IT产业的兴起。八、对我国太赫兹科学技术开展的战略思索和建议THz科学技术是具有战略意义的交叉学科前沿，既是艰苦科学工程，又属于国家艰苦目的。国家应给予足够的注重。我国THz科学技术的开展应该由国家主导推进，构成一个有目的、有方案、有组织、有梯队，分层次，从而可以有序的开展研讨任务。我国THz技术研讨任务曾经有了一定的根底，为了进一步推进我国的THz研讨任务，现提出以下