國內(nèi)外太赫茲技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

國內(nèi)外太赫茲技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用 太赫茲 THz 指的是電磁頻譜上頻率為0 1 10THz的輻射 波長范圍為0 03 3mm 介于無線電波和光波之間 太赫茲 波具有穿透性強 使用安全性高 定向性好 帶寬高等技術(shù) 特性 太赫茲是電磁波譜最后的處女地 具有獨特的優(yōu)越性及極重 要的應(yīng)用 是新一代產(chǎn)業(yè)的科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ) 太赫茲科學(xué)綜合 了電子學(xué)與光子學(xué)的特色 是典型的交叉前沿科學(xué)領(lǐng)域 蘊 含著原創(chuàng)性重大機理和方法并亟待突破 具有重大的科學(xué)意 義 太赫茲科學(xué)技術(shù)也將是后摩爾時代信息技術(shù)發(fā)展的重要 支撐 因此世界各國都對太赫茲技術(shù)進行了廣泛而深入的研 究 并獲得了一系列成果 太赫茲技術(shù)的發(fā)展過程在美國國 內(nèi)有數(shù)十所大學(xué)都在從事THz的研究工作 特別是美國重要 的國家實驗室 都在開展THz科學(xué)技術(shù)的研究工作 美國國 家基金會 NSF 國家航空航天局 NASA 能源部 DOE 和 國家衛(wèi)生學(xué)會 NIH 等從90年代中期開始對THz科技研究進 行大規(guī)模的投入 如航天飛機表面隔熱材料THz成像檢測系 統(tǒng) THz 雷達 安檢系統(tǒng) 環(huán)境監(jiān)測設(shè)備等 歐洲的一些國家相繼建立THz 科學(xué)研究機構(gòu) 已取得了較大進展 英國的Rutherford國家實 驗室 劍橋大學(xué) 里茲大學(xué) Strathclyde等十幾所大學(xué) 德國 的若干所大學(xué) 都積極開展THz研究工作 歐洲國家還利用 歐盟的資金組織了跨國家的多學(xué)科參加的大型合作研究項 目 在俄國國家科學(xué)院專門設(shè)立了一個THz研究計劃 IAP I GP及一些大學(xué)也都在積極開展THz研究工作 日本于2005年 1月8日 公布了日本國十年科技戰(zhàn)略規(guī)劃 提出十項重大關(guān) 鍵技術(shù) 將THz列為首位 東京大學(xué) 京都大學(xué) 大阪大學(xué) 東北大學(xué) 福井大學(xué)以及各公司都大力開展THz的研究與開 發(fā)工作 特別在THz通信方面取得了重要進展 研發(fā)出120G Hz 毫米波無線通信系統(tǒng)和300GHz 400GHz的無線通信系統(tǒng) 目前的移動通信無線接入網(wǎng)絡(luò)均是采取低于5 GHz頻點的物理頻段 并采取高階調(diào)制方式 比如QAM 來提 高無線頻譜資源利用效率與有限帶寬內(nèi)的移動接入速率 近年來 我國的政府機構(gòu)和科研院校高度關(guān)注THz研究 已 建立起幾十個THz研究中心 實驗室 如中國科學(xué)院THz固 態(tài)技術(shù)重點實驗室 中國工程物理研究院THz科學(xué)技術(shù)研究 中心 北京市THz與紅外工程技術(shù)研究中心 北京市THz波譜 與成像重點實驗室 中國計量學(xué)院THz技術(shù)與應(yīng)用研究所等 等 這些單位在THz源 真空電子學(xué) 光子學(xué) 量子級聯(lián)激光 器的THz輻射源 超導(dǎo)探測 特殊材料 成像及波譜分析等領(lǐng) 域取得了大量具有國際先進水平的研究結(jié)果 促進了THz技 術(shù)的研究發(fā)展 近年來 隨著超快激光技術(shù)的迅速發(fā)展 太赫茲脈沖的激發(fā) 光源得以更加穩(wěn)定和可靠 為進一步研究太赫茲波譜技術(shù)創(chuàng) 造了條件 另外 太赫茲成像及檢測技術(shù)也受到了各國政府 科研機構(gòu) 高等院校等研究單位的高度重視 與此同時 各 種機制的太赫茲輻射源 探測器以及一些關(guān)鍵功能器件的研 究也在飛速發(fā)展 為太赫茲技術(shù)在國防 航空航天 生物醫(yī) 藥 通信等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ) 由于太赫茲波所具有的 獨特的性質(zhì)以及這一波段的技術(shù)空白 使得太赫茲技術(shù)有著 廣闊的應(yīng)用前景 THz的強透射能力和低輻射能量以及國家在公共安全檢測方 面的重大需求 比如檢測毒品 以及在要害部門 場所的安 全監(jiān)控 如機場安檢 使得THz輻射有望成為一種新的公共安全監(jiān)控 技術(shù) 由于THz既可以用于成像 又可以用于波譜分析 且其 穿透能力極強 所以可以用其來實現(xiàn)非接觸 非破壞性的探 測 通過THz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 另外危險爆炸品 非法走私物品 和無害的化妝品 也可以通過太赫茲來進行區(qū)分 科學(xué)家們 曾預(yù)測 在不久的將來 THz成像技術(shù)將成為機場 車站及海 關(guān)等公共場所安全檢查的新手段 太赫茲技術(shù)已經(jīng)在能源 檢測等方面取得了巨大進展 在通信 雷達等應(yīng)用方面取得 多項標(biāo)志性成果 高分辨太赫茲雷達與成像 高速大容量太 赫茲通信系統(tǒng)已成為太赫茲技術(shù)空間應(yīng)用的重要發(fā)展方向 在成像識別 星間高速大容量數(shù)據(jù)通信 太赫茲頻譜監(jiān)視等 方面具有良好的發(fā)展前景 THz具有非常寬的頻譜 可工作在目前隱身技術(shù)所能對抗的 波段之外 因此它能探測隱身目標(biāo) 以其作為輻射源的超寬 帶雷達能夠獲得隱身飛機的圖像 如軍事作戰(zhàn)中 探測敵對 分子的武器藏匿處以及顯示前方灰塵或煙霧中的坦克 如果 能夠在遠距離雷達成像應(yīng)用中很好地解決THz寬帶反隱身雷 達技術(shù) THz遠距離傳播相應(yīng)的散射問題 THz傳播過程中的 相位相干性問題 圖像分辨率問題等 THz在軍事方面的應(yīng) 用將呈現(xiàn)出百花齊放的局面 由于THz通信具有大氣不透明 帶寬寬 天線小 定向性好 安全性高和散射小等特點 決 定了其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛 包括衛(wèi)星間星際通信 同溫層內(nèi) 空對空通信 短程地面無線局域網(wǎng) 短程安全大氣通信以及 發(fā)展THz通信理論 關(guān)于THz軍事通信的研究計劃也層出不 窮 如 美國航空航天局 NASA 美國空軍科學(xué)研究辦公室 實驗室 AFOSR 和美國空軍研究實驗室 AFRL 的傳感器研 究部研究空軍成像 通信和預(yù)警用的緊湊創(chuàng)新的SiGe基THz 源和探測器 歐盟第五框架計劃資助的WANTED工程 wirele ss area net working of terahertzemitters and detectors 及歐盟第五框架計劃資助的NanoTera工程 由于很多生物大分子及DNA分子的旋轉(zhuǎn)及振動能級多處于 太赫茲波段 生物體對太赫茲波具有獨特的響應(yīng) 所以太赫 茲輻射可用于疾病診斷 生物體的探測及癌細胞的表皮成像 計算機輔助層析成像技術(shù)是在X射線領(lǐng)域首先發(fā)展并應(yīng)用 起來的三維解析成像技術(shù) 太赫茲波也可以應(yīng)用于計算機輔 助層析成像 太赫茲層析成像對物體的反映是多方面的 不僅可以獲得物 體的吸收率的分布 還可以得到物體的折射率和材料的三維 分布 但是太赫茲波成像有2個固有的限制 其一 它不能穿透金屬 金屬表面幾乎可以100 的反射太赫茲輻射 因而太赫茲波 不能探測金屬容器內(nèi)的物體 其二 液態(tài)水對太赫茲波有強 烈的吸收 太赫茲檢測與其他無損檢測技術(shù)相比 在檢測非金屬材料內(nèi) 部缺陷方面具有獨特優(yōu)勢 太赫茲波可以穿過不透明的材料 檢測到可見光探測不到的內(nèi)部缺陷 它還可以用于絕熱材 料 對于這種材料熱成像失效 和射線相比 它對人體不構(gòu) 成輻射危害 還能為軟材料提供更好的對比度 與超聲波相 比 它可以根本不接觸物體表面便實現(xiàn)成像 而且在有些材 料中聲波極度衰減 太赫茲波對于這些材料卻適用 在太赫茲無損檢測裝備領(lǐng)域 主要供應(yīng)商有Luna Innovation Teraview Menlo System和Becker