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1、,姚建铨,(),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-Technology and ItsApplication Foreground,天津大学 激光与光电子研究所Jian-quan YaoProfessor and Director,Institute of Laser,太赫兹科学（THz）,THz Gap频率：0.1THz 10 THz（3 mm 0.03 mm),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
2、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
3、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（2005-20
4、10）,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&欧美ALMA计划，10亿美元（20052012）日本，韩国，台湾地区的重要大学、研究所和实验室,欧美日合作建设全球最大射电天文亚毫米波干涉阵ALMA想象图,(每年开展三方研讨会，受到欧美日政府的高度重视),标志性成果-1.5公里THz无线通信演示系统（2006年）,太赫兹波,应
5、用,抢占太赫兹频率资源-人类共享,重大需求的牵引为什么要研究THz?,（频率：0.1THz 10 THz，0.03 mm 3 mm)空间运动目标的侦察识别致盲对抗无线通信和反恐辑毒的有力工具生物医学和探测成像的独特手段,国家科技发展中的重要需求新一代IT产业、通信及雷达技术的基础在国家安全和反恐战争中的应用,研究的必要性+重大需求牵引=极大科学意义和应用价值,Absorbance(a.u.),Absorbance(a.u.),摇头丸,0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,0,321,Frequency(THz),海洛因,0.5,1.0,2.5,3.0,0.0,3.53.02.52.0
6、1.51.00.5,4.0,ketamine,1.5 2.0Frequency(THz),应用:公共安全-国家重大需求国家重点管制类毒品THz谱5Heroine4,要害部门、场所安全监控,全国吸毒人员114万,北京2.6万,THz辐射有望成为一种新的公共安全监控技术,应用:空间、环境探测-国家重大需求,宇宙起源和演化地球环境监测航天器材料无损,2004/8/3,18km byMLS onAura,检测大气THz微量分子变化 vs 全球气候变暖Ivison et al.2000THz观测更遥远星系（等值图：THz;照片：光学）,Safe,extremely low powerelectromag
7、netic illumination,T-Ray Applications,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。,THz imaging program of DARPA,2004年美国国防部DARPA,正投入大量的资金，
8、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。,Some applications of Thz T,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
9、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,Advanced Pho
10、tonix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。Phase I-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，Phase II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
11、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
12、、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。,Photosynthetic reaction center:,orientation of electron transfer components,and time of individual events,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,Distinguishing Anhydrous&Hydrated Drugs,安全检查,太赫兹成像,机场安检,危
13、险品探测密封的包裹,操作过程金属、非金属类的,携带武器人的太赫兹图像,皮肤,腰带扣,糖果,太赫兹成像,用X射线检测车辆,用太赫兹检测人,Spectra,THz在国土安全检测方面的应用,毒品、爆炸物和其他违禁物品及环境监测,识别方法（神经网络分析等）,光谱探测,理论模拟,（VASP、Wien2K 和Phonon）,成像探测,相干成像的相关识别 频域成像与相位成像,成像与光谱相结合,THz用于对抗生物恐怖活动THz Applications in Anti-Terrorism,“炭疽热”粉末成像,“炭疽热”粉末被放入信封中,通过测定“炭疽热”粉末对THz电磁波的吸收，可以得到“炭疽热”粉末成像。为
14、了准确地辨别，需要对样品的THz 响应进行全面的分析物质之所以对THz波具有独特的响应和显征，主要因为一些分子吸收谱落在THz频段内。,材料的THz光谱信息库,爆炸物,日常用品,制衣材料,反恐?太赫兹收发器,警察需要透过墙或门,通过对人质，恐怖分子和他的武器的成像，,确定它们的位置。我们能用一个太赫兹收发器吗？,(a)PCA transceiver,(b)EO transceiver,应用:国防及太赫兹雷达,probe,metallic mirrorchopper,THz,pump,transceiver,lock-in,probe,THz,pump,ZnTe,metallic mirrorc
15、hopper,Transceivers.反隐身,远距离成像（雷达）,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 图像分辨率问题等等,多光谱成像（高光谱及超光谱成像）,THz频段的选择,相干的多光谱成像所涉及的问题 高光谱及超高光谱的尝试,三维成像（立体信息）,美国,0.225THz雷达,更多军事应用前景警方巡逻安全扫描,可及时发现人群中携带危险武器的恐怖分子。军事作战中,探测敌对分子的武器藏匿处,Capital Normal University,http:/,更多军事应用前景THz成像可 THz成像可以显示前方 示前方灰尘灰尘或烟雾 雾中的坦
16、克。中的坦克,Capital Normal University,http:/,应用(3):无损检测（NDT）航天,Capital Normal University,http:/,bipod,This tragedy is due to aninsulation foam on the shuttlesfuel tank detached and struckthe wing upon lift-off.,Defects in the foam insulationlikely caused the material todetach.,Space Shuttle Columbia Trag
17、edy,Feb.1,2003,Map,预埋29个缺陷，28个被探测出红色圆圈表示一个缺陷点,NASA Panel#75 with Artificial Defects0.2 太赫兹成像,THz Wave“Sees”Strength of Graphite Composite,The reflective THz wave(polarization,phase,and amplitude)from aircraft graphite,fiber composite materials provides strength levels after the heat damage.Unpublish
18、ed,2005.,可用于介电常数分布或厚度分布的测量，例如纸币水印图象的,成像。,共焦面 THz 成像,2f,ZnTe,polarizer,lens,optical beam,2f,analyzer,CCD camera,Clara Schumann(1819-1896),天文观测,欧洲遥感卫星(ERS)上ATSR,南极天文望远镜装有,观测的海面温度图(Feb.2002)OPTL激光器作为THz接收器的本地振荡器用以测量N2+,H2D+和CO宇宙背景辐射星际,星系际大气分子特征谱行星和小星体的大气动力学,NASA的Aura卫星上载有,一个2.4THz的激光器用以测量同温层内OH-的浓度和分布A
19、ura上MLS测量地球的水汽分布,Our Universe&Astronomical Frontiers,宇宙构成:3%atoms,23%darkmatter,73%darkenergy天文研究前沿:宇,宙学,恒星形成,星系形成和演化,行星系统等观测波段:全波段,THz Gap,?what can beobserved at THz?,study of star and planet formationStars are formed by gravitational collapse deep inside coldmolecular gas clouds,which also contai
20、n large amounts ofdust which makes them opaque at visible or near-IR,AB Aur star by Subaru,AB Aur star by Subaru/SMA,study of planetary sciences,木卫表面火山活动照片。ALMA可以,解明其气体和尘埃的化学成分。,MARS by SMA,Hale-Bopp HCN J=4-3/1997/3/16,Matthews/Senay/Jewitt(JCMT),CO,HST,Ivison et al.2000,earliest,very distant galax
21、ies,most of the starlight(UV/visible)does not reach us,instead absorbed by dust andreradiated at longer wavelengths(THz).,SCUBA亚毫米波源的发现星系团A1835的光学和亚毫米波(Ivison et al）像。很明显，亚毫米波源（等值图）是暗的或没有光学对应体。,study of interstellar dust emission from galaxies,一个恒星形成星团的光学,和亚毫米波（）像,大型THz天文计划-1ground-based interferome
22、tersALMA-ACA,68x12m+12x7m,antennas,SMA计划（0.2-0.9THz，Mauna Kea/Hawaii）,国际上目前唯一在运行亚毫米波干涉阵,ALMA计划简介,21世纪在建全球合作最大规模地面天文设备。亚毫米波，超高空间分辨率，超高灵敏度，大集光面积。,最高空间分辨率：0.01角秒(相当于NGST在光学波段)接收机频率和灵敏度：30-950GHz&3-5倍量子极限基线数（ACA除外）和最长基线：2016&14公里集光面积（ACA除外）：7240平方米相关器：8064互相关,数据传输和数据量：4.5Tbit/s&9GB/s,建设计划和总经费：2003-2007-
23、2012,9亿,参加国：欧洲ESO、北美（美加，NRAO）、日本（NAOJ）、智利,ALMA以超高空间分辨率（zoom-lens）对宇宙中冷暗区域观测和成像（光学dark），提供HST、VLT、下一代空间望远镜JWST及SKA所不能替代的天体物理前沿研究手段;,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,Nearby Galaxies,Distant Galaxies,ALMA vs.Hubble De
24、ep Field,HDF,K.Lanzetta,SUNY-SB,ALMA Deep Field,Wootten&Gallimore,NRAO,大型THz天文计划air-&space-borne single dishesSOFIA(US-German,2.5m,0.3-665um,2006),Spitzer Space Telescope(0.85m,3-180um,lunched in 2003)5K,10m,20um-1mm,2015-2020Herschel SpaceTelescope(3.5m,0.48-1.91THz,lunch in 2007)Fiery First Stars,
25、大型亚THz天文计划-南极最好的地面亚毫米波站址,South pole:2300 mDome A:4000 mDome C:3250m,HEAT:High Elevation AntarcticTerahertz Telescope,0.8,1.4&1.9 THz,The first THz communication in the world!The achievement of the wireless sub-THzcommunication(Japan,NTT Corporation,NTTMicro-system Integration Laboratories 2005,8),Th
26、e photographs of the transmitter front end and its setup for thefield trialSub-THz operation:120GHzLong distance:1kmHigh output power:10dBmHigh channel capacity:6-channel uncompressed HDTV signal,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Applications of 10Gb/s wireless link,120GHz,1km,NTT Co.Japan,THz在通信方面的应
27、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
28、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
29、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,(Wireless Area Networking of TerahertzEmitters and Detectors),欧盟第五框架计划资助的NanoTera工程,(Ballistic Nanodevices For Terahertz DataProcessing),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
30、距离1m 然后通过天线解码,发送到扬声器.,Electronics Letters 40 Jan.(2004),THz波通信的实现情况(二),2005年美国的Eric R.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,
31、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,THz Signal(a.u.),Air,Chip,0.80.40.0-0.4,12,8,4,Time Delay(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.THznetwork.org,太赫兹波,研究在中国,THz研究在中国,2005.11召开THz香山会议,The present status in China,中科院物理所(THz时域光谱和成像，高功率TH
32、z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(Optical pum
33、ped THz source),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
34、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,THz source,The electronics method（基于电子学的THz,辐射源）,BWO
35、 反向波振荡器（Backward Wave Oscillator,BWO）,THz Gyrotrons,Free electron laser（自由电子激光器（FEL）Prionotron 浅掺杂的P型锗半导体激光器,Quantum cascade laser(QCL)量子级联激光器,光泵浦,Optical pumping,光整流,Optical rectification,光电导 THz photoconductive antenna,光学受激效应 Optical stimulated,表面发射效应 Surface emission effect,Surface plasmon polari
36、tons,光学倍频及差频效应 SHG and DFG,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,Free electron laser,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（DFG）(2)(12,1,2),1、基于红外光泵浦产生的THz辐射源2、利用超短激光脉冲产生THz 辐射,12,1,2)4、基于其他光学非线性效应的Thz波产生,0.1-10THzPpp=389W1.48
37、TGaSe,Ppp=2kW1.15T GaAs,1-3THzPpp=1W1.48TLibNO3,离散调谐输出 0.85 7.5THz连续100mW,宽带输出 J量级,光学受激效应 Optical stimulated表面发射效应 surface emission effect,Surface plasmon polaritonSPP光学Cherenkov效应等非线性效应,对我国发展THz技术研究的建议,加强基础研究，特别是加强原创性的研究，建立,我国自主创新的THz波研究体系；,加强学术交流，加强各单位间的联系，互相取长,补短，共同发展；,加强与科技领导部门（国家科技部、总装备部等）,的联系、
38、汇报，取得支持；,建议THz专家委员会尽快联合各相关单位制定我国,THz波的研究规划，并提出相应措施等；,建立网站，固定THz学术会议间隔，条件成熟立时,出版THz刊物等。,www.thznetwork.org,对我国开展THz波辐射源及相关应用研究的建议,开展各种类型THz源的研究：基于电子学及光子学,方法等，探索产生THz辐射的新机理、新方法、新技术；,围绕THz波辐射源的研究，开展THz波的特性，特,别是THz波的传输特性及与物质的相互作用的研究；,开展THz波的应用基础及各种功能器件（如传输、,调制、开关、滤波、复用等）的研究。,Developing on Thz testing instruments,Application research,Thanks,
