太赫茲科學(xué)技術(shù)的新發(fā)展-劉盛綱_第1頁(yè)
太赫茲科學(xué)技術(shù)的新發(fā)展-劉盛綱_第2頁(yè)
太赫茲科學(xué)技術(shù)的新發(fā)展-劉盛綱_第3頁(yè)
太赫茲科學(xué)技術(shù)的新發(fā)展-劉盛綱_第4頁(yè)
太赫茲科學(xué)技術(shù)的新發(fā)展-劉盛綱_第5頁(yè)
已閱讀5頁(yè),還剩8頁(yè)未讀, 繼續(xù)免費(fèi)閱讀

下載本文檔

版權(quán)說(shuō)明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請(qǐng)進(jìn)行舉報(bào)或認(rèn)領(lǐng)

文檔簡(jiǎn)介

1、.:.; HYPERLINK mwtee/thread-37443-1-1.html 太赫茲科學(xué)技術(shù)的新開展劉盛綱mwtee/thread-37443-1-1.html一、前言THz波是指頻率在0.11 0THz波長(zhǎng)為300030微米范圍內(nèi)的電磁波,1THz=1012Hz。由圖1可見,它在長(zhǎng)波段與毫米波亞毫米波相重合,而在短波段,與紅外線相重合下,可見,太赫茲波在電磁波頻譜中占有很特殊的位置。由于多種科學(xué)技術(shù)緣由,特別是THz波源的問(wèn)題未能很益處理,太赫茲波科學(xué)技術(shù)的開展遭到很大的限制,從而使其運(yùn)用潛能未能發(fā)揚(yáng)出來(lái),如Fi g.2所示。如Fig.1所示,人們提出THz空白THz Gap的概念。

2、其實(shí)THz Gap可以有以下幾方面的意義:1THz所處的位置正益處于科學(xué)技術(shù)開展相對(duì)較好的微波毫米波與紅外線光學(xué)之間,構(gòu)成一個(gè)相對(duì)落后的“空白。2THz的長(zhǎng)波方向,主要依托電子學(xué)Electronics科學(xué)技術(shù),而THz的短波長(zhǎng)方向那么主要是光子學(xué)(Photonics)科學(xué)技術(shù),從而在電子學(xué)與光子學(xué)之間構(gòu)成一個(gè)Gap。這點(diǎn)具有深化的物理含義,將在THz源一節(jié)中詳細(xì)討論。圖2a表示半導(dǎo)體器件和激光器件主要是量子級(jí)聯(lián)激光的任務(wù)頻率范圍??梢钥吹?,一切的半導(dǎo)體器件目前都難以到達(dá)THz波段,而量子級(jí)聯(lián)激光的任務(wù)頻率可以從光波向THz延伸下來(lái)。紅線表示2002年以后的開展情況。圖2b那么表示真空電子學(xué)TH

3、z源的開展情況??梢钥吹剑耗承┱婵针娮悠骷娜蝿?wù)頻率曾經(jīng)從微波毫米波波段逐漸向THz推進(jìn),而FEL的頻率那么不受限制,可以任務(wù)在整個(gè)THz波段。要指出的是,真空電子學(xué)THz源的迅速開展,也是近幾年發(fā)生的。 由于THz所處的特殊電磁波譜的位置,它有很多優(yōu)越的特性,有非常重要的學(xué)術(shù)和運(yùn)用價(jià)值有的已處于適用,使得全世界各國(guó)都給予極大的關(guān)注。美國(guó)、歐州和日本尤為注重。1在美國(guó)包括常青藤大學(xué)在內(nèi)有數(shù)十所大學(xué)都在從事THz的研討任務(wù),特別是美國(guó)重要的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,如LLNL,LBNL,SLAC,JPL,BNL,NRL,ALS,ORNL等都在開展THz科學(xué)技術(shù)的研討任務(wù)。美國(guó)國(guó)家基金會(huì)(NSF)、國(guó)家航天局(

4、NASA)、能源部(DOE)和國(guó)家衛(wèi)生學(xué)會(huì)(NIH)等從90年代中期開場(chǎng)對(duì)THz科技研討進(jìn)展大規(guī)模的投入。2英國(guó)的Rutherford國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,劍橋大學(xué)、里茲大學(xué)、Strathclyde等十幾所大學(xué),德國(guó)的KFZ,BESSY,Karlsruhe,Cohn,Hamburg及假設(shè)干所大學(xué),都積極開展THz研討任務(wù)。歐洲國(guó)家還利用歐盟的資金組織了跨國(guó)家的多學(xué)科參與的大型協(xié)作研討工程。在俄國(guó)國(guó)家科學(xué)院專門設(shè)立了一個(gè)THz研討方案,IAP,IGP及一些大學(xué)也都在積極開展THz研討任務(wù)。3在亞洲國(guó)家和區(qū)域,韓國(guó)國(guó)立漢城大學(xué)、浦項(xiàng)科技大學(xué)、國(guó)立新加坡大學(xué)、臺(tái)灣大學(xué)、臺(tái)灣清華大學(xué)等都積極開展THz研討任務(wù),

5、并發(fā)表了不少有分量的論文。4日本于2005年1月8日,公布了日本國(guó)十年科技戰(zhàn)略規(guī)劃,提出十項(xiàng)艱苦關(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SLLSC,NTT AdvancedTechnology Corporation,etc等公司都大力開展THz的研討與開發(fā)任務(wù)??梢?,目前曾經(jīng)在全世界范圍內(nèi)構(gòu)成了一個(gè)THz技術(shù)研討高潮。本次香山會(huì)議的目的是盡能夠集中我國(guó)的科學(xué)技術(shù)智慧,研討和討論THz科學(xué)技術(shù)及其運(yùn)用的開展現(xiàn)狀和前景,研討和討論并提出對(duì)我國(guó)THz科學(xué)技術(shù)及其運(yùn)用開展的戰(zhàn)略思索和研討任務(wù)的意見和建議,供政府指點(diǎn)參考。因此,本次會(huì)議意義艱苦。經(jīng)過(guò)慎重研討,本

6、次香山科學(xué)會(huì)上的報(bào)告是這樣安排的:安排了一個(gè)主題報(bào)告。在THz科學(xué)技術(shù)及運(yùn)用中輻射源和檢測(cè)技術(shù)是兩個(gè)主要問(wèn)題。對(duì)這兩個(gè)方面安排了四個(gè)專題報(bào)告。成像和光譜技術(shù)對(duì)于THz輻射的運(yùn)用來(lái)講是很關(guān)鍵的,安排了兩個(gè)專題報(bào)告。真空電子學(xué)對(duì)THz輻射源能夠有很重要的奉獻(xiàn),安排了一個(gè)專題報(bào)告。光子晶體在THz波功能器件方面占有重要位置,安排了一個(gè)專題報(bào)告,會(huì)議還安排了THz科學(xué)技術(shù)在天文學(xué)方面的運(yùn)用的專題報(bào)告。本來(lái)很想安排一個(gè)有關(guān)THz科學(xué)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)方面運(yùn)用的專題報(bào)告,但因一時(shí)無(wú)法找到適宜的報(bào)告專家而未能實(shí)現(xiàn)。但是,與會(huì)專家也可暫時(shí)在會(huì)上就某一問(wèn)題作簡(jiǎn)短報(bào)告。 在這次香山科學(xué)會(huì)上,專題報(bào)告的安排如下:專題報(bào)

7、告1姚建銓專題報(bào)告2汪力專題報(bào)告3張存林專題報(bào)告4曹俊誠(chéng)專題報(bào)告5吳培亨專題報(bào)告6史生才專題報(bào)告7盛政明專題報(bào)告8劉盛綱二、太赫茲輻射的主要特征 1量子能量和黑體溫度很低Wave numberWavelengthFrequencyEnergyBlackbody Temp.1cm-110mm30GHz120eV1.5K10cm-11mm300GHz1.2meV15K33cm-1300m1THz4.1meV48K100cm-1100m3THz12meV140K200cm-150m6THz25meV290K670cm-115m20THz83meV960K 2許多生物大分子,如有機(jī)分子的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)頻率

8、都在THz波段,所以在THz波段表現(xiàn)出很強(qiáng)的吸收調(diào)和振。 3THz輻射能以很小的衰減穿透物質(zhì)如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等,因此可用其探測(cè)低濃度極化氣體,適用于控制污染。THz輻射可無(wú)損穿透墻壁、布料,使得其能在某些特殊領(lǐng)域發(fā)揚(yáng)作用。4THz的時(shí)域頻譜信噪比很高,這使得THz非常適用于成像運(yùn)用5帶寬很寬0.110THz。6很短的THz脈沖卻有著非常寬的帶寬和不同尋常的特點(diǎn)。三、太赫茲的重要戰(zhàn)略意義 艱苦科技工程,國(guó)家艱苦目的經(jīng)過(guò)近十幾年來(lái)的研討,國(guó)際科技界公認(rèn),THz科學(xué)技術(shù)是一個(gè)非常重要的交叉前沿領(lǐng)域。由于THz的頻率很高波長(zhǎng)比微波小1000陪以上,所以其空間分辨率很高。又由于脈沖很短飛秒

9、,THz輻射具有很高的時(shí)間分辨率。THz成像技術(shù)及THz波譜技術(shù)就構(gòu)成了THz運(yùn)用的兩個(gè)主要關(guān)鍵技術(shù)。另一方面,THz的能量很小,不會(huì)對(duì)物質(zhì)產(chǎn)生破壞作用,所以與X射線相比,它又有很大的優(yōu)勢(shì)。Yale大學(xué) CASchmutenmaer教授在今年IRMMWTHz國(guó)際會(huì)議上做大會(huì)特邀報(bào)告,標(biāo)題為“Learning Chemistry and Physics to Terahertz利用THz重新學(xué)習(xí)化學(xué)和物理學(xué))。可見,國(guó)際科技界對(duì)THz的注重。國(guó)際科技界對(duì)THz輻射有以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):l、THz輻射是一種新的、有很多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)的輻射源。2、THz技術(shù)為科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新、國(guó)民經(jīng)濟(jì)開展和國(guó)家平安等方面提供了一

10、個(gè)非常誘人的機(jī)遇。因此,積極開展THz科學(xué)技術(shù)的研討任務(wù)對(duì)我國(guó)具有重要的戰(zhàn)略意義。A科學(xué)研討的新的強(qiáng)有力的新方法1THz成像和THz波譜學(xué)在物理學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、天文學(xué)、資料科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等方面有著極其重要的運(yùn)用。2THz波不僅可以成像而且可以作為一種特殊而有效的探針,對(duì)物質(zhì)內(nèi)部進(jìn)展深化研討,提供關(guān)于物質(zhì)的化學(xué)及生物成分、波譜特性、THz標(biāo)志、量子互作用過(guò)程等重要信息。例如:利用THz很高的時(shí)域分辨率研討CdSe光導(dǎo)量子過(guò)渡景象,研討Ti02納米晶格中載流子的輸運(yùn)過(guò)程,以及研討調(diào)控原子分子的無(wú)輻射量子躍遷等方面均獲得了重要的新成果。THz量子光學(xué)及量子計(jì)算機(jī)運(yùn)用及強(qiáng)磁場(chǎng)下半導(dǎo)體的THz輻射等

11、方面都作出了很突出的成就。利用強(qiáng)功率THz輻射可激發(fā)起物質(zhì)內(nèi)部原子及分子的非線性動(dòng)力學(xué)過(guò)程,從而利用大功率超短脈沖THz可以在分子程度上研討物質(zhì)的非線性特性。3THz在等離子體檢測(cè)方面也有重要的優(yōu)勢(shì)。利用THz輻射可以探測(cè)出高溫、高密度等離子體中密度的空間分布。THz在天文學(xué)研討上的運(yùn)用顯得很突出,科學(xué)家們?cè)谀蠘O建立了一個(gè)挪動(dòng)天文站,利用THz望遠(yuǎn)鏡察看到很多重要的新星體,對(duì)于研討宇宙的來(lái)源和星體的構(gòu)成有重要的意義(值得一提的是我國(guó)在2005年初,也在南極建立了一個(gè)研討站)。因此,國(guó)際科技界以為,THz輻射能夠引發(fā)科學(xué)技術(shù)的革命性開展BTHz技術(shù)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)開展將起著重要的推進(jìn)作用1THz在生物

12、醫(yī)學(xué)上的應(yīng)器具有很大的吸引力。在皮膚癌的診斷和治療,DNA的探測(cè),THz的醫(yī)學(xué)運(yùn)用,THz斷層成像,THz生物化學(xué)運(yùn)用,藥物的分析和檢測(cè)等方面都顯示了其強(qiáng)大的功能和效果?;趯?duì)蛋白質(zhì)及基因特性等的研討,可建立起THz生物分子診斷技術(shù)。從而極大推進(jìn)分子生物學(xué)的開展,并在醫(yī)療及藥品的研制鑒定方面有很大的運(yùn)用前景。2由于生物大分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)頻率均在THz波段,而THz輻射技術(shù)又可提取DNA的重要信息,因此,THz在植物,特別是糧食選種,優(yōu)良菌種的選擇等方面可以起重要的作用??傊掌澘茖W(xué)技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)、食品加工等行業(yè)有重要意義。THz在生物醫(yī)學(xué)上有廣泛的運(yùn)用前景,以下圖表示在THz對(duì)皮膚癌的診斷和運(yùn)用

13、。3THz輻射可以穿透煙霧,又可檢測(cè)出有毒或有害分子,所以在環(huán)境監(jiān)測(cè)和維護(hù)方面可以發(fā)揚(yáng)重要作用。據(jù)報(bào)道,THz環(huán)境監(jiān)控設(shè)備利用CO2激光作為泵源產(chǎn)生的2.5THz)已安裝在美國(guó)衛(wèi)星上。CTHz在國(guó)家平安、反恐方面的運(yùn)用有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)1利用THz可以穿透物質(zhì)的特性,英國(guó)首先研制了THz攝像機(jī)并且已在機(jī)場(chǎng)平安檢查方面進(jìn)展試用,效果很好。特別重要的是美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室ORNL和田納西大學(xué)協(xié)作,開展“穿墻方案Through wall Program,利用THz成像技術(shù)從外部獲得墻內(nèi)信息。顯然,這項(xiàng)穿墻技術(shù)在國(guó)家平安方面有很重要的價(jià)值此外,利用THz波譜可以快速、有效的檢查和識(shí)別毒品,美國(guó)已開展用TH

14、z譜技術(shù)檢查郵件等工程,包括THz化學(xué)和生物制品的檢測(cè)。2THz在雷達(dá)和通訊等方面的運(yùn)用也有很大的潛力。THz在太空通訊方面的宏大優(yōu)勢(shì)是沒(méi)有疑問(wèn)的。THz的大氣窗口也已研討過(guò)(圖6所示)。THz雷達(dá)在反隱身方面有特殊的功能。下面的報(bào)告中談判到大功率THz輻射源的問(wèn)題,這方面的研討任務(wù)是為THz雷達(dá)等做預(yù)備的。THz衛(wèi)星太空成像和通訊技術(shù)能夠是今后大國(guó)關(guān)注的重要領(lǐng)域。3THz運(yùn)用于航天飛機(jī)能夠缺點(diǎn)的探測(cè)哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)失事之后不久,根據(jù)航天飛機(jī)發(fā)射時(shí)拍攝的錄像資料,提出了對(duì)失事緣由的分析。美國(guó)一個(gè)實(shí)驗(yàn)室已進(jìn)展了實(shí)驗(yàn)。所采用的THz脈沖中心頻率為lTHz,頻帶寬度為3THz。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn),尤其是

15、最近的對(duì)PALRamp SOFI絕熱泡沫層的勝利探測(cè),充分證明THz脈沖確實(shí)可以對(duì)航天飛機(jī)進(jìn)展有效的無(wú)損探傷。我國(guó)太空開展方案一定會(huì)需求這樣的技術(shù)。D、THz科學(xué)技術(shù)是新一代IT產(chǎn)業(yè)的根底1科學(xué)家們估計(jì),一旦THz輻射源、THz檢測(cè)技術(shù)等開展以后,THz可以在現(xiàn)代IT科學(xué)技術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。下面將要闡明這種競(jìng)爭(zhēng)實(shí)踐上曾經(jīng)開場(chǎng)。2隨著THz科學(xué)技術(shù)的開展,很多高科技公司相繼誕生,例如:英國(guó)Rultherford國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Rutherford Appleton LabRAL)及歐洲航天局(ESA)于2002年起,執(zhí)行Star Ti ger 方案勝利后,建立了一個(gè)公司ThruVision

16、公司,專門從事有關(guān)THz成像的商品化任務(wù),開發(fā)出被動(dòng)式THz成像儀,有以下特點(diǎn):a被動(dòng)式不需求THz源;b可實(shí)時(shí)成像。英國(guó)劍橋大學(xué)孵化出(Spinoff)一個(gè)高科技公司一TeraView Ltd從事THz攝像機(jī)的開發(fā);3美國(guó)Michigen大學(xué)及Stanford大學(xué)孵化出Picometrix;Physicalscience Inc;Calabazas Creek ResInc等公司?;卦O(shè)在加州的Picometrix公司的義務(wù)是“將THz科學(xué)技術(shù)交給政府及大學(xué)實(shí)驗(yàn)室手中,以便他們用于各項(xiàng)研討任務(wù)。4日本也有很多公司,它們?cè)?jīng)在從事包括高功率THz源在內(nèi)的有關(guān)THz科學(xué)技術(shù)的研討、開發(fā)及成果的商

17、業(yè)化等任務(wù)。可見,以THz科學(xué)技術(shù)為根底的新一代IT產(chǎn)業(yè)已開場(chǎng)逐漸構(gòu)成。E研討THz技術(shù)本身就是一門重要的學(xué)科如各種THz輻射的產(chǎn)活力制、超短脈沖THz的傳播和傳輸、THz與物質(zhì)的相互作用等。下面給出幾幅THz成像及THz波譜的構(gòu)造框圖。其中,有一幅是JPL研制的150微米的THz成像框圖。由這些框圖可以看到THz成像和THz波譜的開展和運(yùn)用。同時(shí)也可以看到為了建立THz成像和THz波譜需求研討哪些THz器件和元件,如:THz源,THz檢測(cè),混頻,THz傳輸、諧振等,以構(gòu)成一個(gè)完好的THz成像和THz波譜系統(tǒng)。從下節(jié)起,我們將討論這些器件和元件。四、太赫茲輻射源有很多方法都可以產(chǎn)生THz輻射。

18、1 半導(dǎo)體THz源包括THz量子級(jí)聯(lián)激光器等。2 基于光子學(xué)的THz發(fā)生器。3 利用自在電子的THz輻射源包括THz真空器件,電子盤旋脈塞和自在電子激光。4 基于高能加速器的THz輻射源不同的用途對(duì)THz源能夠提出不同的要求。有點(diǎn)要求輸出功率較大,有的要求有較適宜的頻率。2002年在Nature上發(fā)表了兩篇THz源的重要文章。這兩篇文章對(duì)THz源的開展起到了很大的推進(jìn)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,這篇文章被Nature編輯部確定為“研討亮點(diǎn)(Research highlights)這項(xiàng)任務(wù)是由以下三個(gè)美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室:Lawrence Livermoe,Brookhaven and Jeffersan NationalLabs完成的。兩篇文章中一篇是有關(guān)量子級(jí)聯(lián)激光的突破,這是一種非常重要的半

20、導(dǎo)體THz輻射源。另一篇是基于自在電子的有關(guān)高功率THz輻射的,結(jié)合了光子學(xué)和電子學(xué)技術(shù)。1、半導(dǎo)體太赫茲源固態(tài)THz源具有小巧、價(jià)錢低廉和頻率可調(diào)的特點(diǎn),是人們希望的一種THz源。但半導(dǎo)體器件的任務(wù)頻率難于到達(dá)1THz以上,而半導(dǎo)體THz激光器,特別是THz量子級(jí)聯(lián)激光器是目前的開展重點(diǎn)之一。第一篇關(guān)于量子級(jí)聯(lián)激光的文章有Melvin Lax等發(fā)表于1960年,其后于1994年起,Bell實(shí)驗(yàn)室的JFaist做了很多有益的任務(wù)Science,264,22,1994)。在俄國(guó)這方面的任務(wù)也做了不少(Kazarinov,SovPhysSemi5,207,1971),但實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)期沒(méi)有突破。朗訊曾把Q

21、CL作為一個(gè)研發(fā)重點(diǎn),但沒(méi)有結(jié)果。直至2002年由英國(guó)和意大利科學(xué)家獲得突破Nature 417,156159,2002。量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)是以異構(gòu)造半導(dǎo)體GaAsAIGaAs的導(dǎo)帶中的次能級(jí)間的躍遷為根底的一種激光器。利用縱向光學(xué)聲子的諧振產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。2002年的結(jié)果是頻率4.4THz,溫度50K,脈沖功率20mW。以后,很多國(guó)家都積極開展QCL的研討任務(wù),采用了不同的資料。到2004年,美國(guó)MIT最新的結(jié)果是:2.1 THz,CW功率lmW(溫度93K),脈沖功率為20mW溫度K。到2005年,MIT QCL曾經(jīng)用于THz成像,可見THz技術(shù)開展的速度比我們想象的要快得多。在我國(guó)

22、,中國(guó)電子集團(tuán)南京55所,渡越雪崩二極管可以做到0.1THz。中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)研討所和中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研討所,已開展QCL的研討任務(wù)并已作出一定的成果。半導(dǎo)體THz輻射源已安排了一個(gè)專題報(bào)告進(jìn)展詳細(xì)論述。2、基于光子學(xué)的太赫茲輻射源飛秒激光脈沖的開展給THz源帶來(lái)了很大的機(jī)遇。曾經(jīng)開展了很多基于飛秒激光脈沖和非線性光學(xué)晶體的THz激光源。如THz光導(dǎo)天線、光整流、非線性差頻、THz參量振蕩器和放大器TPG,TPO,TPA和光學(xué)Cherenkov輻射等等。這種方法產(chǎn)生的THz輻射,可以是脈沖的,也可以是延續(xù)波的。以下圖表示光脈沖經(jīng)過(guò)非線性光學(xué)晶體產(chǎn)生THz輻射的典型情況。差頻發(fā)生器DEG,是

23、一個(gè)三波混頻非線性過(guò)程。這方面的研討任務(wù),我國(guó)天津大學(xué)等單位,也已開展了研討任務(wù),并作出了一定的成果。詳細(xì)內(nèi)容將在專題報(bào)告中給出。3、基于真空電子學(xué)的太赫茲源近兒年來(lái),隨著THz科學(xué)技術(shù)的迅速開展,利用真空電子學(xué)產(chǎn)生THz輻射的研討任務(wù)獲得了很大的提高,其中包括真空電子器件、電子盤旋脈塞、自在電子激光、Cherenkov輻射,甚至運(yùn)用儲(chǔ)存環(huán)加速器來(lái)產(chǎn)生高亮度THz輻射。某些真空電子器件如返波管BWO、擴(kuò)展互作用振蕩器E1O、繞射輻射器件(Orotron)等的任務(wù)頻率己接近或到達(dá)1THz。盤旋管可望在1THz產(chǎn)生千瓦級(jí)的脈沖輸出,平均功率可達(dá)幾十瓦以上。特別是由CIT的JPL實(shí)驗(yàn)室等研討的“納米

24、速調(diào)管可望在13THz頻率上任務(wù)。納米速調(diào)管結(jié)合了電子學(xué)、光子學(xué)和微加工技術(shù),是很有創(chuàng)新意義的一種新器件。納米速調(diào)管由于運(yùn)用微加工技術(shù),所以保證每個(gè)納米速調(diào)管頻率和相位的一致性,因此可以組成納米速調(diào)管陣列,以大大提高輸出功率。利用構(gòu)成THz陣列輻射源是提高THz輻射功率的一個(gè)重要途徑。自在電子激光可任務(wù)于THz。自在電子激光的波長(zhǎng)主要取決于搖擺器的周期和電子束的能量: 42 12-1 v/c 其中w是搖擺器周期,是相對(duì)論因子。今年1月13一14日,在美國(guó)Honolulu召開的THz輻射源研討會(huì)上,報(bào)告了一篇用lMeV靜電加速器的FEI,可以在2mm到500微米,0.156THz,產(chǎn)生lkW的準(zhǔn)

25、延續(xù)波輸出,這一結(jié)果被以為是迄今為止最重要的成果之一。2002年,在Nature上發(fā)表的另一篇論文表達(dá)了電子學(xué)和光子學(xué)相結(jié)合的方法。利用飛秒激光照射GaAs光學(xué)晶體,發(fā)射出電子束,再用加速器將電子束加速到40MeV。電子在磁場(chǎng)作用下作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)從而發(fā)射出THz輻射,由于電子束的尺度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng),所以輻射是相關(guān)的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到20w延續(xù)波的THz輻射。所以,如前所述,Nature編輯部將這篇文章定為研討亮點(diǎn)。我國(guó)真空電子器件已有相當(dāng)好的根底,盤旋管的研討任務(wù)已在電子科技大學(xué)和中科院電子所進(jìn)展,在0.1THz已作出近100KW脈沖輸出的盤旋管。FEL己在中科院高能物理所、中國(guó)工程物理研討院、北京大

26、學(xué)和電子科技大學(xué)進(jìn)展,并獲得一定的成果。利用自在電子產(chǎn)生THz輻射的詳細(xì)論述將在另一專題報(bào)告中給出。五、太赫茲波段信號(hào)的檢測(cè)在THz波段的開發(fā)和利用中,信號(hào)的檢測(cè)具有舉足輕重的重要意義。由于,一方面,與較短波長(zhǎng)相比,THz波段光子能量低,背景噪聲經(jīng)常占據(jù)顯著的位置;另一方面,為了充分發(fā)揚(yáng)THz系統(tǒng)的作用例如,發(fā)現(xiàn)更微弱的目的、在更遠(yuǎn)的間隔 上通訊等等,不斷提高接納的靈敏度也是必然的追求。在不同的頻率應(yīng)選擇不同的檢測(cè)器。在THz的低端,普通傾向于外差式的檢測(cè)器,而在THz的高端,直接檢測(cè)器的靈敏度似乎更勝一籌。有關(guān)的簡(jiǎn)況和進(jìn)一步開展的建議如下。脈沖THz信號(hào)檢測(cè)的兩種方法:a光導(dǎo)天線;b電光取樣

27、。CW THz信號(hào)的檢測(cè)1超外差式檢測(cè)器對(duì)于頻率稍低而譜線分辨率非常重要的場(chǎng)所a室溫肖特基二極管混頻器,目前的普通程度是本振功率0.5 mW單管或35mW多管。輻射計(jì)的最小可檢測(cè)溫度是0.05K500GHz或0.5K2500GHz,積分時(shí)間1秒,帶寬1GHz。今后應(yīng)著重于降低其噪聲和所需的本振功率。b超導(dǎo)體一絕緣體一超導(dǎo)體SIS結(jié)混頻器,以及以之為前端的接納機(jī)多用在100700 GHz的頻率范圍,最近已推進(jìn)到1200 GHz,并將在2007年用于空間飛行FIRST,全稱Far Infra Red and Submillimeter space Telescope;現(xiàn)改稱European Spa

28、ce Agencys Herschel)。c熱電子測(cè)熱電阻HEB混頻器,以Nb,NbN,NbTiN,Al,YBCO等資料制成尺寸為微米量級(jí)的微橋,THz信號(hào)的熱效應(yīng),使它們有靈敏的呼應(yīng),呼應(yīng)時(shí)間也極快快聲子或電子分散的機(jī)制。比SIS結(jié)混頻器的任務(wù)頻率更高。作為混頻器運(yùn)用,電壓呼應(yīng)是在皮秒的量級(jí),因此中頻可以到達(dá)幾千兆,甚至15千兆取決于資料、尺寸、冷卻機(jī)制。目前任務(wù)頻率已高達(dá)5THz,噪聲溫度約為量子極限的10倍左右,本振功率1100nW的量級(jí)。熱電子測(cè)熱輻射計(jì)(HEB):金屬在低溫下的熱容很小,聲子與電子系統(tǒng)是去耦的。外加的輻射只加熱電子,其溫升可以測(cè)出。肖特基二極管混頻器室溫高靈敏超外差檢

29、測(cè)技術(shù)詳細(xì)的器件2直接檢測(cè)器對(duì)于頻率更高但并不需求極高的譜線分辨率的場(chǎng)所a室溫的直接檢測(cè)器,種類很多,如:小面積GaAs肖特基二極管用作天線耦合的平方率檢測(cè)器;直接吸收熱量后引起電阻變化的普通鉍測(cè)熱電阻;有溫度計(jì)和讀出電路與輻射吸收器集成在一同的復(fù)合測(cè)熱電阻鉍、碲;高蘭泡充氣室內(nèi)吸收熱之后,體積有變化,使鏡子偏轉(zhuǎn),用光放大器測(cè)出;聲測(cè)熱電阻用光聲檢測(cè)器測(cè)出氣泡受熱后壓力的變化;微測(cè)熱電阻用天線把功率耦合到小的吸熱區(qū)域;快速量熱計(jì);等等。目前,這類直接檢測(cè)器的標(biāo)定是很大的問(wèn)題,呼應(yīng)時(shí)間約為秒的量級(jí);靈敏度不高幾微伏。我們今后的任務(wù)應(yīng)該是:改良和用好已有的器件,使之符合我們的研討的需求b冷卻的直接

30、檢測(cè)器,其中,目前已有商品的如:液氦冷卻的硅、鍺或InSb復(fù)合測(cè)熱電阻,呼應(yīng)時(shí)間微秒的量級(jí),4K時(shí)噪聲等效功率NEP約為10-13WHz的量級(jí),冷到毫度時(shí)有很大的改良。不少商品的紅外檢測(cè)器對(duì)THz也能呼應(yīng)。在冷卻的直接檢測(cè)器方面,還有一些目前沒(méi)有商品的,如:超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊緣測(cè)熱電阻超導(dǎo)薄膜條偏置在超導(dǎo)一正常轉(zhuǎn)變的邊緣;懸置的微加工的硅條鍍以鉍,以獲得理想的電阻一溫度特性,并由此制成陣列;超導(dǎo)一絕緣一正常金屬SIN隧道結(jié)復(fù)合測(cè)熱電阻。這些檢測(cè)器的NEP約為10-17到10-18 WHz的量級(jí)。超導(dǎo)熱電子測(cè)熱電阻(HEB)也可用于轉(zhuǎn)變邊緣檢測(cè)器,NEP約為10-20wHz的量級(jí)。 我們今后的任務(wù)應(yīng)該是

31、:提出新型的THz波檢測(cè)構(gòu)造或改良國(guó)際上雖已著手研討但尚有許多改良余地的器件。 鼓勵(lì)研討THz信號(hào)于物質(zhì)的相互作用,從中發(fā)現(xiàn)新的物理效應(yīng),據(jù)以研制THz信號(hào)檢測(cè)器,留意國(guó)際上研討任務(wù)的新動(dòng)向例如,用高磁場(chǎng)中冷卻至50 mk的單電子晶體管和量子點(diǎn),探測(cè)入射的THz光子。 研制以超導(dǎo)體絕緣體超導(dǎo)體SIS結(jié)混頻器、熱電子測(cè)熱電阻HEB混頻器為前級(jí)的THz波段接納機(jī),實(shí)踐運(yùn)用于天文、環(huán)境監(jiān)測(cè)登方面。THz的單光子檢測(cè)單電子晶體管和量子點(diǎn)高磁場(chǎng)&50 mK)NEP10-22 WHz呼應(yīng)時(shí)間:毫秒優(yōu)先鼓勵(lì)研討THz信號(hào)與物質(zhì)的相互作用,從中發(fā)現(xiàn)新的物理效應(yīng),據(jù)以研制新型THz檢測(cè)器,留意國(guó)際上研討任務(wù)的新

32、動(dòng)向。我國(guó)南京大學(xué)和紫金山天文臺(tái)也已開展了THz檢測(cè)和接納方面的研討任務(wù),并獲得了一定的成果。THz檢測(cè)方面的詳細(xì)內(nèi)容也將在專題報(bào)告中給出。六、太赫茲功能器件為了組成THz系統(tǒng),例如THz成像和THz波譜等,除了THz源和檢測(cè)系統(tǒng)外,其內(nèi)部銜接也是非常重要的,所以需求一些功能器件,如傳輸系統(tǒng)、諧振系統(tǒng)等。曾經(jīng)提出了很多種不同的傳輸系統(tǒng),如:太赫茲金屬不銹鋼波導(dǎo),太赫茲鐵電聚合物包層波導(dǎo)PVDF,太赫茲塑料帶狀平面波導(dǎo),太赫茲單模藍(lán)寶石光纖等,但研討發(fā)現(xiàn),簡(jiǎn)單的直徑0.9mm的金屬導(dǎo)線波導(dǎo)性能能夠最好Nature 432,p377,2004,如下圖。此外光子晶體在THz功能器件中能夠會(huì)有重要的奉

33、獻(xiàn)。光子晶體是折射率在空間周期性變化,存在一定光學(xué)能帶間隙的介質(zhì)構(gòu)造,具有一定的光學(xué)禁帶和通帶,對(duì)于某些波長(zhǎng)是不能透射過(guò)。光子晶體的折射率在空間陳列的周期是波長(zhǎng)量級(jí)。光子晶體的資料對(duì)任務(wù)波段的光的吸收很小。雖然光子晶體的實(shí)際根底是建立在Maxwell方程根底上,而半導(dǎo)體的實(shí)際根底是建立在Schrodinger方程根底上的,它們分別屬于電動(dòng)力學(xué)和量子力學(xué)的范疇。但是可以證明:在光子晶體的條件下,由Maxwell方程和Schrodinger方程,可以得到一樣的結(jié)果。假設(shè)比較薛定諤方程和動(dòng)搖方程:(薛定諤方程)(動(dòng)搖方程)以下兩式假設(shè)成立:那么由薛定諤方程和動(dòng)搖方程可得到一樣的結(jié)果。由于光子晶體折射

34、率的陳列與晶體中原子的陳列類似,都具有周期性,分析時(shí)都可以引入布洛赫波函數(shù),因此可以得出:當(dāng)光子晶體中折射率周期為波長(zhǎng)量級(jí)時(shí)可以出現(xiàn)與固體能帶實(shí)際中的禁帶相類似的光學(xué)禁帶。從開展歷史上來(lái)看,光子晶體的研討是源自于對(duì)光子的兩個(gè)根本景象的研討1987年同一期PRL上發(fā)表的2篇文章。LocalizationofLightS.John,Phys.Rev.lett.58,24861987.Inhibition of Spontaneous EmissionE.Yablonovitch,Phys.Rev .Lett.58,20591987 現(xiàn)實(shí)上,在此之前人們?cè)缫堰\(yùn)用了光子晶體;微波中的慢波構(gòu)造和光學(xué)中的

35、布拉格光柵,它們都屬于一維光子晶體。1991年制造出第一個(gè)人造三維光子晶體Yablonovite型光子晶體。 最早由STJRussell等人于1992年提出的光子晶體光纖是典型的二維光子晶體。1998年報(bào)道了第一個(gè)真正利用光子禁帶PBG導(dǎo)光的光子晶體光纖。VBerger于1998年提出非線性光子晶體。二維光子晶體 與固體能帶實(shí)際類似,在完美的光子晶體中也可以引入雜質(zhì)和缺陷,使嚴(yán)厲的周期構(gòu)造破壞,這些缺陷可以束縛一定頻率的光子,產(chǎn)生局域化的能級(jí),這部分局域態(tài)位于光學(xué)禁帶之中。 在光子晶體中也可以引入不同類型的缺陷;點(diǎn)缺陷,線缺陷和面缺陷等。這些缺陷的控制是光子晶體實(shí)現(xiàn)各種功能的根底。缺陷態(tài)與局域

36、態(tài)利用光子晶體的局域態(tài)可以制備光子晶體的波導(dǎo),微腔,環(huán)形諧振腔,分束器,耦合器等波導(dǎo)器件,可以制備出微小型平面光學(xué)回路PLC,也能夠?qū)崿F(xiàn)三維光學(xué)回路模塊。光子晶體具有某些獨(dú)特的光學(xué)特性,如微腔的高Q值性,超棱鏡,大群折射率和負(fù)折射率等,使制備無(wú)閾值激光器,高效光放大器或其他功能器件成為能夠。利用光子晶體的非線性光學(xué)效應(yīng),使制造出光開關(guān)、光二極管,光三極管,光邏輯回路等器件成為能夠,是制造全光集成芯片的根底。光子晶體在近代科學(xué)技術(shù)特別是光學(xué)上有很多重要的運(yùn)用。這里我們僅討論光子晶體在THz技術(shù)中的運(yùn)用。雖然光子晶體在THz技術(shù)中主要可以用來(lái)作為各種功能器件:1光子晶體THz傳輸線、波導(dǎo)2光子晶體

37、THz諧振腔3光子晶體THz濾波器4光子晶體THz波偏振器5光子晶體THz波開關(guān)6光子晶體THz波混頻器7光子晶體THz波天線下面舉出光子晶體在THz科技中運(yùn)用的實(shí)例。1THz波在光子晶體中的傳播,德國(guó)半導(dǎo)體研討所Instituts frHalbleitertechnik)研討了THz波在光子晶體中的傳播,結(jié)果闡明:THz波在硅二維光子晶體中能很好的傳播,實(shí)際和實(shí)驗(yàn)相符。2德國(guó)Freiburg大學(xué)Sherwin Group運(yùn)用了激光化學(xué)蒸汽堆積技術(shù)用Al203陶瓷資料研討制造了THz波光子晶體。 3美國(guó)UCSB(圣芭芭拉大學(xué))Sherwin Group研討制造了THz波光子晶體諧振腔。用硅資料

38、運(yùn)用離子蝕刻技術(shù)制成了三維光子晶體。 4日本Osaka University用彩色打印機(jī)制造THz金屬光子晶體5日本物理化學(xué)研討所最近用多層約瑟夫結(jié)制造THz光子晶體濾波器(PRL94,157004,2005) 6光子晶體THz諧振腔美國(guó)University of Delaware用硅光子晶體制成,微盤構(gòu)造microdisk光子晶體微諧振腔。為了開展THz光子晶體功能器件,需求做好以下研討任務(wù):1實(shí)際研討:光子禁帶的實(shí)際根底研討,如新型光子晶體及其光子能帶特點(diǎn),慢變構(gòu)造光子晶體,光子晶體非線性特性研討等2功能器件的研討及設(shè)計(jì):THz光子晶體傳輸特性的研討,THz光子晶體濾波器的研討,THz二維

39、光子晶體諧振腔的研討,THz光子晶體波分復(fù)用器件,THz光子晶體開關(guān),THz光子晶體天線。實(shí)踐上光子晶體本身就是一門交叉學(xué)科,許多領(lǐng)域有待研討和開發(fā),有著重要的研討和運(yùn)用價(jià)值,在光學(xué)及其他相關(guān)領(lǐng)域如光通訊等有很重要的運(yùn)用。我們這里只研討光子晶體在THz科學(xué)技術(shù)中的重要運(yùn)用。七、結(jié)語(yǔ)THz科學(xué)技術(shù)是重要的開展極其迅速的交叉學(xué)科前沿,世界各國(guó)都給予極大的注重。由于THz處于電磁波譜的特殊位置,它具有極重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和獨(dú)特的性質(zhì),從而使它具有非常重要的多方面的運(yùn)用。THz科學(xué)技術(shù)開展至今不到20年,很多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,如THz輻射源及THz檢測(cè)技術(shù)等尚不夠成熟。但是THz輻射的運(yùn)用已在大力開展,并獲得很多重要的成果。相關(guān)的THz成像和波譜技術(shù)也曾經(jīng)并正在快速的開展。隨著THz科學(xué)技術(shù)及其運(yùn)用的迅速開展,很多大學(xué)和研討機(jī)構(gòu)的研討成果孵化出一批高科技產(chǎn)業(yè)正在推進(jìn)新一代IT產(chǎn)業(yè)的興起。八、對(duì)我國(guó)太赫茲科學(xué)技術(shù)開展的戰(zhàn)略思索和建議THz科學(xué)技術(shù)是具有戰(zhàn)略意義的交叉學(xué)科前沿,既是艱苦科學(xué)工程,又屬于國(guó)家艱苦目的。國(guó)家應(yīng)給予足夠的注重。我國(guó)THz科學(xué)技術(shù)的開展應(yīng)該由國(guó)家主導(dǎo)推進(jìn),構(gòu)成一個(gè)有目的、有方案、有組織、有梯隊(duì),分層次,從而可以有序的開展研討任務(wù)。我國(guó)THz技術(shù)研討任務(wù)曾經(jīng)有了一定的根底,為了進(jìn)一步推進(jìn)我國(guó)的THz研討任務(wù),現(xiàn)提出以下

溫馨提示

  • 1. 本站所有資源如無(wú)特殊說(shuō)明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請(qǐng)下載最新的WinRAR軟件解壓。
  • 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請(qǐng)聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
  • 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容里面會(huì)有圖紙預(yù)覽,若沒(méi)有圖紙預(yù)覽就沒(méi)有圖紙。
  • 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
  • 5. 人人文庫(kù)網(wǎng)僅提供信息存儲(chǔ)空間,僅對(duì)用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理,對(duì)用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對(duì)任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
  • 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請(qǐng)與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
  • 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時(shí)也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對(duì)自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

評(píng)論

0/150

提交評(píng)論