太赫茲科學技術的新發(fā)展劉盛綱

1、太赫茲科學技術的新發(fā)展劉盛綱一、前言THz波是指頻率在（0.11 0）THz（波長為300030微米）范圍內(nèi)的電磁波，1THz=1012Hz。由圖1可見，它在長波段與毫米波（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。由于多種科學技術原因，特別是THz波源的問題未能很好解決，太赫茲波科學技術的發(fā)展受到很大的限制，從而使其應用潛能未能發(fā)揮出來，如Fi g.2所示。如Fig.1所示，人們提出THz空白（THz Gap）的概念。其實THz Gap可以有以下幾方面的意義：1THz所處的位置正好處于科學技術發(fā)展相對較好的微波毫米波與紅外線光學之間，形成一

2、個相對落后的“空白”。2THz的長波方向，主要依靠電子學（Electronics）科學技術，而THz的短波長方向則主要是光子學(Photonics)科學技術，從而在電子學與光子學之間形成一個Gap。這點具有深刻的物理含義，將在THz源一節(jié)中詳細討論。圖2（a）表示半導體器件和激光器件（主要是量子級聯(lián)激光）的工作頻率范圍。可以看到，所有的半導體器件目前都難以達到THz波段，而量子級聯(lián)激光的工作頻率可以從光波向THz延伸下來。紅線表示2002年以后的發(fā)展狀況。圖2（b）則表示真空電子學THz源的發(fā)展狀況?？梢钥吹剑耗承┱婵针娮悠骷墓ぷ黝l率已經(jīng)從微波毫米波波段逐步向THz推進，而FEL的頻率則不受

3、限制，可以工作在整個THz波段。要指出的是，真空電子學THz源的迅速發(fā)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，有非常重要的學術和應用價值（有的已處于實用），使得全世界各國都給予極大的關注。美國、歐州和日本尤為重視。1）在美國包括常青藤大學在內(nèi)有數(shù)十所大學都在從事THz的研究工作，特別是美國重要的國家實驗室，如LLNL，LBNL，SLAC，JPL，BNL，NRL，ALS，ORNL等都在開展THz科學技術的研究工作。美國國家基金會(NSF)、國家航天局(NASA)、能源部(DOE)和國家衛(wèi)生學會(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。2

4、）英國的Rutherford國家實驗室，劍橋大學、里茲大學、Strathclyde等十幾所大學，德國的KFZ，BESSY，Karlsruhe，Cohn，Hamburg及若干所大學，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科參加的大型合作研究項目。在俄國國家科學院專門設立了一個THz研究計劃，IAP，IGP及一些大學也都在積極開展THz研究工作。3）在亞洲國家和區(qū)域，韓國國立漢城大學、浦項科技大學、國立新加坡大學、臺灣大學、臺灣清華大學等都積極開展THz研究工作，并發(fā)表了不少有分量的論文。4）日本于2005年1月8日，公布了日本國十年科技戰(zhàn)略規(guī)劃，提出十項重大關鍵技術

5、，將THz列為首位。東京大學、京都大學、大阪大學、東北大學、福井大學以及SLLSC，NTT AdvancedTechnology Corporation，etc等公司都大力開展THz的研究與開發(fā)工作?？梢?，目前已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)形成了一個THz技術研究高潮。本次香山會議的目的是盡可能集中我國的科學技術智慧，研究和討論THz科學技術及其應用的發(fā)展現(xiàn)狀和前景，研究和討論并提出對我國THz科學技術及其應用發(fā)展的戰(zhàn)略思考和研究工作的意見和建議，供政府領導參考。因此，本次會議意義重大。經(jīng)過慎重研究，本次香山科學會上的報告是這樣安排的：安排了一個主題報告THz科學技術的新發(fā)展。在THz科學技術及應用中輻射

6、源和檢測技術是兩個主要問題。對這兩個方面安排了四個專題報告。成像和光譜技術對于THz輻射的應用來講是很關鍵的，安排了兩個專題報告。真空電子學對THz輻射源可能有很重要的貢獻，安排了一個專題報告。光子晶體在THz波功能器件方面占有重要地位，安排了一個專題報告，會議還安排了THz科學技術在天文學方面的應用的專題報告。本來很想安排一個有關THz科學技術在生物醫(yī)學方面應用的專題報告，但因一時無法找到合適的報告專家而未能實現(xiàn)。但是，與會專家也可臨時在會上就某一問題作簡短報告。在這次香山科學會上，專題報告的安排如下：專題報告1基于光學及光子學的THz輻射源姚建銓專題報告2THz波段的光譜分析和探測汪力專題

7、報告3太赫茲波的應用張存林專題報告4太赫茲量子級聯(lián)激光器及其他重要的半導體源曹俊誠專題報告5太赫茲波段信號的檢測吳培亨專題報告6太赫茲在天文科學中的應用史生才專題報告7在激光等離子體中產(chǎn)生的超強太赫茲輻射盛政明專題報告8真空電子學對太赫茲源的可能貢獻，大功率太赫茲輻射源劉盛綱二、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-1100m3THz

8、12meV140K200cm-150m6THz25meV290K670cm-115m20THz83meV960K（2）許多生物大分子，如有機分子的振動和旋轉(zhuǎn)頻率都在THz波段，所以在THz波段表現(xiàn)出很強的吸收和諧振。（3）THz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，因此可用其探測低濃度極化氣體，適用于控制污染。THz輻射可無損穿透墻壁、布料，使得其能在某些特殊領域發(fā)揮作用。（4）THz的時域頻譜信噪比很高，這使得THz非常適用于成像應用（5）帶寬很寬（0.110T）Hz。（6）很短的THz脈沖卻有著非常寬的帶寬和不同尋常的特點。三、太赫茲的重要戰(zhàn)略意義 重大科技項目，國家

9、重大目標經(jīng)過近十幾年來的研究，國際科技界公認，THz科學技術是一個非常重要的交叉前沿領域。由于THz的頻率很高（波長比微波小1000陪以上），所以其空間分辨率很高。又由于脈沖很短（飛秒），THz輻射具有很高的時間分辨率。THz成像技術及THz波譜技術就構成了THz應用的兩個主要關鍵技術。另一方面，THz的能量很小，不會對物質(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。Yale大學 CASchmutenmaer教授在今年IRMMWTHz國際會議上做大會特邀報告，題目為“Learning Chemistry and Physics to Terahertz（利用THz重新學習化學和物理學)”

10、?？梢?，國際科技界對THz的重視。國際科技界對THz輻射有以下幾點認識：l、THz輻射是一種新的、有很多獨特優(yōu)點的輻射源。2、THz技術為科學技術的創(chuàng)新、國民經(jīng)濟發(fā)展和國家安全等方面提供了一個非常誘人的機遇。因此，積極開展THz科學技術的研究工作對我國具有重要的戰(zhàn)略意義。A科學研究的新的強有力的新方法（1）THz成像和THz波譜學在物理學、化學、生物醫(yī)學、天文學、材料科學和環(huán)境科學等方面有著極其重要的應用。（2）THz波不僅可以成像而且可以作為一種特殊而有效的探針，對物質(zhì)內(nèi)部進行深入研究，提供關于物質(zhì)的化學及生物成分、波譜特性、THz標記、量子互作用過程等重要信息。例如：利用THz很高的時域分

11、辨率研究CdSe光導量子過渡現(xiàn)象，研究Ti02納米晶格中載流子的輸運過程，以及研究調(diào)控原子分子的無輻射量子躍遷等方面均取得了重要的新成果。THz量子光學及量子計算機應用及強磁場下半導體的THz輻射等方面都作出了很突出的成就。利用強功率THz輻射可激發(fā)起物質(zhì)內(nèi)部原子及分子的非線性動力學過程，從而利用大功率超短脈沖THz可以在分子水平上研究物質(zhì)的非線性特性。（3）THz在等離子體檢測方面也有重要的優(yōu)勢。利用THz輻射可以探測出高溫、高密度等離子體中密度的空間分布。THz在天文學研究上的應用顯得很突出，科學家們在南極建立了一個移動天文站，利用THz望遠鏡觀察到很多重要的新星體，對于研究宇宙的起源和星

12、體的形成有重要的意義(值得一提的是我國在2005年初，也在南極建立了一個研究站)。因此，國際科技界認為，THz輻射可能引發(fā)科學技術的革命性發(fā)展BTHz技術對國民經(jīng)濟發(fā)展將起著重要的推動作用（1）THz在生物醫(yī)學上的應用具有很大的吸引力。在皮膚癌的診斷和治療，DNA的探測，THz的醫(yī)學應用，THz斷層成像，THz生物化學應用，藥物的分析和檢測等方面都顯示了其強大的功能和成效。基于對蛋白質(zhì)及基因特性等的研究，可建立起THz生物分子診斷技術。從而極大推動分子生物學的發(fā)展，并在醫(yī)療及藥品的研制鑒定方面有很大的應用前景。（2）由于生物大分子的振動和轉(zhuǎn)動頻率均在THz波段，而THz輻射技術又可提取DNA的

13、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技術對農(nóng)業(yè)、食品加工等行業(yè)有重要意義。THz在生物醫(yī)學上有廣泛的應用前景，下圖表示在THz對皮膚癌的診斷和應用。（3）THz輻射可以穿透煙霧，又可檢測出有毒或有害分子，所以在環(huán)境監(jiān)測和保護方面可以發(fā)揮重要作用。據(jù)報道，THz環(huán)境監(jiān)控設備（利用CO2激光作為泵源產(chǎn)生的2.5THz)已安裝在美國衛(wèi)星上。CTHz在國家安全、反恐方面的應用有著獨特的優(yōu)勢（1）利用THz可以穿透物質(zhì)的特性，英國首先研制了THz攝像機并且已在機場安全檢查方面進行試用，效果很好。特別重要的是美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）和田

14、納西大學合作，開展“穿墻計劃（Through wall Program）”，利用THz成像技術從外部獲得墻內(nèi)信息。顯然，這項穿墻技術在國家安全方面有很重要的價值此外，利用THz波譜可以快速、有效的檢查和識別毒品，美國已開展用THz譜技術檢查郵件等項目，包括THz化學和生物制品的檢測。（2）THz在雷達和通信等方面的應用也有很大的潛力。THz在太空通信方面的巨大優(yōu)勢是沒有疑問的。THz的大氣窗口也已研究過(圖6所示)。THz雷達在反隱身方面有特殊的功能。下面的報告中會談到大功率THz輻射源的問題，這方面的研究工作是為THz雷達等做準備的。THz衛(wèi)星太空成像和通信技術可能是今后大國關注的重要領域。

15、（3）THz應用于航天飛機可能故障的探測哥倫比亞號航天飛機失事之后不久，根據(jù)航天飛機發(fā)射時拍攝的錄像資料，提出了對失事原因的分析。美國一個實驗室已進行了實驗。所采用的THz脈沖中心頻率為lTHz，頻帶寬度為3THz。經(jīng)過多次實驗，尤其是最近的對PALRamp SOFI絕熱泡沫層的成功探測，充分證明THz脈沖的確可以對航天飛機進行有效的無損探傷。我國太空發(fā)展計劃肯定會需要這樣的技術。D、THz科學技術是新一代IT產(chǎn)業(yè)的基礎（1）科學家們預計，一旦THz輻射源、THz檢測技術等發(fā)展以后，THz可以在現(xiàn)代IT科學技術和工業(yè)領域有極強的競爭力。下面將要說明這種競爭實際上已經(jīng)開始。（2）隨著THz科學技

16、術的發(fā)展，很多高科技公司相繼誕生，例如：英國Rultherford國家實驗室(Rutherford Appleton Lab（RAL）)及歐洲航天局(ESA)于2002年起，執(zhí)行Star Ti ger計劃成功后，建立了一個公司ThruVision公司，專門從事有關THz成像的商品化工作，開發(fā)出被動式THz成像儀，有以下特點：a被動式不需要THz源；b可實時成像。英國劍橋大學孵化出(Spinoff)一個高科技公司一TeraView Ltd從事THz攝像機的開發(fā)；（3）美國Michigen大學及Stanford大學孵化出Picometrix；PhysicalscienceInc；Calabazas

17、 Creek ResInc等公司?；卦O在加州的Picometrix公司的任務是“將THz科學技術交給政府及大學實驗室手中，以便他們用于各項研究工作”。（4）日本也有很多公司，它們已經(jīng)在從事包括高功率THz源在內(nèi)的有關THz科學技術的研究、開發(fā)及成果的商業(yè)化等工作?？梢?，以THz科學技術為基礎的新一代IT產(chǎn)業(yè)已開始逐步形成。E研究THz技術本身就是一門重要的學科如各種THz輻射的產(chǎn)生機制、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波譜的結構框圖。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波譜的發(fā)展和應用。

18、同時也可以看到為了建立THz成像和THz波譜需要研究哪些THz器件和元件，如：THz源，THz檢測，混頻，THz傳輸、諧振等，以構成一個完整的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。（1）半導體THz源（包括THz量子級聯(lián)激光器等）。（2）基于光子學的THz發(fā)生器。（3）利用自由電子的THz輻射源（包括THz真空器件，電子回旋脈塞和自由電子激光）。（4）基于高能加速器的THz輻射源不同的用途對THz源可能提出不同的要求。有點要求輸出功率較大，有的要求有較合適的頻率。2002年在Nature上發(fā)表了兩篇THz源的重要文章。這

19、兩篇文章對THz源的發(fā)展起到了很大的推動作用。（1）“Terahertzsemiconductor heterostructurelaser”，Nature417，156159，2002By Italian and UK Scientists，Radiomen Kiblenetc，It is considered as a breakthrough in the Quantum cascade lasers（2）“High power TerahertzRadiationFromRelativisticElectronics”，Nature 420，153156，2002，這篇文章被Natur

20、e編輯部確定為“研究亮點(Research highlights)”這項工作是由以下三個美國國家實驗室：Lawrence Livermoe，Brookhaven and JeffersanNationalLabs完成的。兩篇文章中一篇是有關量子級聯(lián)激光的突破，這是一種非常重要的半導體THz輻射源。另一篇是基于自由電子的有關高功率THz輻射的，結合了光子學和電子學技術。1、半導體太赫茲源固態(tài)THz源具有小巧、價格低廉和頻率可調(diào)的特點，是人們希望的一種THz源。但半導體器件的工作頻率難于達到1THz以上，而半導體THz激光器，特別是THz量子級聯(lián)激光器是目前的發(fā)展重點之一。第一篇關于量子級聯(lián)激光的

21、文章有Melvin Lax等發(fā)表于1960年，其后于1994年起，Bell實驗室的JFaist做了很多有益的工作（Science，264，22，1994)。在俄國這方面的工作也做了不少(Kazarinov，SovPhysSemi5，207，1971)，但實驗長期沒有突破。朗訊曾把QCL作為一個研發(fā)重點，但沒有結果。直至2002年由英國和意大利科學家獲得突破（Nature 417，156159，2002）。量子級聯(lián)激光器(QCL)是以異結構半導體（GaAsAIGaAs）的導帶中的次能級間的躍遷為基礎的一種激光器。利用縱向光學聲子的諧振產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。2002年的結果是頻率4.4THz，溫度50K

22、，脈沖功率20mW。此后，很多國家都積極開展QCL的研究工作，采用了不同的材料。到2004年，美國MIT最新的結果是：2.1 THz，CW功率lmW(溫度93K)，脈沖功率為20mW（溫度137K）。到2005年，MIT QCL已經(jīng)用于THz成像，可見THz技術發(fā)展的速度比我們想象的要快得多。在我國，中國電子集團南京55所，渡越雪崩二極管可以做到0.1THz。中國科學院上海微系統(tǒng)研究所和中國科學院半導體研究所，已開展QCL的研究工作并已作出一定的成果。半導體THz輻射源已安排了一個專題報告進行詳細論述。2、基于光子學的太赫茲輻射源飛秒激光脈沖的發(fā)展給THz源帶來了很大的機遇。已經(jīng)發(fā)展了很多基于

23、飛秒激光脈沖和非線性光學晶體的THz激光源。如THz光導天線、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，也可以是連續(xù)波的。下圖表示光脈沖通過非線性光學晶體產(chǎn)生THz輻射的典型情況。差頻發(fā)生器（DEG），是一個三波混頻非線性過程。這方面的研究工作，我國天津大學等單位，也已開展了研究工作，并作出了一定的成果。詳細內(nèi)容將在專題報告中給出。3、基于真空電子學的太赫茲源近兒年來，隨著THz科學技術的迅速發(fā)展，利用真空電子學產(chǎn)生THz輻射的研究工作取得了很大的進步，其中包括真空電子器件、電子回旋脈塞、自由

24、電子激光、Cherenkov輻射，甚至使用儲存環(huán)加速器來產(chǎn)生高亮度THz輻射。某些真空電子器件如返波管（BWO）、擴展互作用振蕩器（E1O）、繞射輻射器件(Orotron)等的工作頻率己接近或達到1THz。回旋管可望在1THz產(chǎn)生千瓦級的脈沖輸出，平均功率可達幾十瓦以上。特別是由CIT的JPL實驗室等研究的“納米速調(diào)管”可望在13THz頻率上工作。納米速調(diào)管結合了電子學、光子學和微加工技術，是很有創(chuàng)新意義的一種新器件。納米速調(diào)管由于使用微加工技術，所以保證每個納米速調(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。利用構成THz陣列輻射源是提高THz輻射功率的一個重要途徑

25、。自由電子激光可工作于THz。自由電子激光的波長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，是相對論因子。今年1月13一14日，在美國Honolulu召開的THz輻射源研討會上，報告了一篇用lMeV靜電加速器的FEI，可以在2mm到500微米，（0.156）THz，產(chǎn)生lkW的準連續(xù)波輸出，這一結果被認為是迄今為止最重要的成果之一。2002年，在Nature上發(fā)表的另一篇論文體現(xiàn)了電子學和光子學相結合的方法。利用飛秒激光照射GaAs光學晶體，發(fā)射出電子束，再用加速器將電子束加速到40MeV。電子在磁場作用下作旋轉(zhuǎn)運動從而發(fā)射出THz輻射，由于電子束的尺

26、度遠小于波長，所以輻射是相干的。實驗結果可以得到20w連續(xù)波的THz輻射。所以，如前所述，Nature編輯部將這篇文章定為研究亮點。我國真空電子器件已有相當好的基礎，回旋管的研究工作已在電子科技大學和中科院電子所進行，在0.1THz已作出近100KW脈沖輸出的回旋管。FEL己在中科院高能物理所、中國工程物理研究院、北京大學和電子科技大學進行，并取得一定的成果。利用自由電子產(chǎn)生THz輻射的詳細論述將在另一專題報告中給出。五、太赫茲波段信號的檢測在THz波段的開發(fā)和利用中，信號的檢測具有舉足輕重的重要意義。因為，一方面，與較短波長相比，THz波段光子能量低，背景噪聲常常占據(jù)顯著的地位；另一方面，為

27、了充分發(fā)揮THz系統(tǒng)的作用（例如，發(fā)現(xiàn)更微弱的目標、在更遠的距離上通訊等等），不斷提高接收的靈敏度也是必然的追求。在不同的頻率應選擇不同的檢測器。在THz的低端，一般傾向于外差式的檢測器，而在THz的高端，直接檢測器的靈敏度似乎更勝一籌。有關的簡況和進一步發(fā)展的建議如下。脈沖THz信號檢測的兩種方法：（a）光導天線；（b）電光取樣。CW THz信號的檢測1超外差式檢測器（對于頻率稍低而譜線分辨率十分重要的場合）a）室溫肖特基二極管混頻器，目前的一般水平是本振功率0.5 mW（單管）或35mW（多管）。輻射計的最小可檢測溫度是0.05K（500GHz）或0.5K（2500GHz），積分時間1秒，

28、帶寬1GHz。今后應著重于降低其噪聲和所需的本振功率。b）超導體一絕緣體一超導體（SIS）結混頻器，以及以之為前端的接收機多用在100700 GHz的頻率范圍，最近已推進到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 Space Agencys Herschel)。c）熱電子測熱電阻（HEB）混頻器，以Nb，NbN，NbTiN，Al，YBCO等材料制成尺寸為微米量級的微橋，THz信號的熱效應，使它們有靈敏的響應，響應時間也極快（快聲子或電子擴散的機制）。比S

29、IS結混頻器的工作頻率更高。作為混頻器使用，電壓響應是在皮秒的量級，因此中頻可以達到幾千兆，甚至15千兆（取決于材料、尺寸、冷卻機制）。目前工作頻率已高達5THz，噪聲溫度約為量子極限的10倍左右，本振功率1100nW的量級。熱電子測熱輻射計(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，其溫升可以測出。肖特基二極管混頻器室溫高靈敏超外差檢測技術具體的器件2直接檢測器（對于頻率更高但并不需要極高的譜線分辨率的場合）a）室溫的直接檢測器，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器；直接吸收熱量后引起電阻變化的普通鉍測熱電阻；有溫度計和讀出

30、電路與輻射吸收器集成在一起的復合測熱電阻（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)，用光放大器測出）；聲測熱電阻（用光聲檢測器測出氣泡受熱后壓力的變化）；微測熱電阻（用天線把功率耦合到小的吸熱區(qū)域）；快速量熱計；等等。目前，這類直接檢測器的標定是很大的問題，響應時間約為秒的量級；靈敏度不高（幾微伏）。我們今后的工作應該是：改進和用好已有的器件，使之符合我們的研究的需要b）冷卻的直接檢測器，其中，目前已有商品的如：液氦冷卻的硅、鍺或InSb復合測熱電阻，響應時間微秒的量級，4K時噪聲等效功率（NEP）約為10-13WHz的量級，冷到毫度時有很大的改進。不少商品的紅外檢測器對T

31、Hz也能響應。在冷卻的直接檢測器方面，還有一些目前沒有商品的，如：超導轉(zhuǎn)變邊緣測熱電阻（超導薄膜條偏置在超導一正常轉(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；超導一絕緣一正常金屬（SIN）隧道結復合測熱電阻。這些檢測器的NEP約為10-17到10-18 WHz的量級。超導熱電子測熱電阻(HEB)也可用于轉(zhuǎn)變邊緣檢測器，NEP約為10-20wHz的量級。我們今后的工作應該是：提出新型的THz波檢測結構或改進國際上雖已著手研究但尚有許多改進余地的器件。鼓勵研究THz信號于物質(zhì)的相互作用，從中發(fā)現(xiàn)新的物理效應，據(jù)以研制THz信號檢測器，注意國際上研究工作的新動

32、向（例如，用高磁場中冷卻至50 mk的單電子晶體管和量子點，探測入射的THz光子）。研制以超導體絕緣體超導體（SIS）結混頻器、熱電子測熱電阻（HEB）混頻器為前級的THz波段接收機，實際使用于天文、環(huán)境監(jiān)測登方面。THz的單光子檢測單電子晶體管和量子點（高磁場&50 mK)NEP10-22 WHz響應時間：毫秒優(yōu)先鼓勵研究THz信號與物質(zhì)的相互作用，從中發(fā)現(xiàn)新的物理效應，據(jù)以研制新型THz檢測器，注意國際上研究工作的新動向。我國南京大學和紫金山天文臺也已開展了THz檢測和接收方面的研究工作，并取得了一定的成果。THz檢測方面的詳細內(nèi)容也將在專題報告中給出。六、太赫茲功能器件為了組成THz系統(tǒng)

33、，例如THz成像和THz波譜等，除了THz源和檢測系統(tǒng)外，其內(nèi)部連接也是非常重要的，所以需要一些功能器件，如傳輸系統(tǒng)、諧振系統(tǒng)等。已經(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，太赫茲鐵電聚合物（包層）波導（PVDF），太赫茲塑料帶狀平面波導，太赫茲單模藍寶石光纖等，但研究發(fā)現(xiàn)，簡單的直徑0.9mm的金屬導線波導性能可能最好（Nature 432，p377，2004），如圖所示。此外光子晶體在THz功能器件中可能會有重要的貢獻。光子晶體是折射率在空間周期性變化，存在一定光學能帶間隙的介質(zhì)結構，具有一定的光學禁帶和通帶，對于某些波長是不能透射過。光子晶體的折射率在空間排列的周期是波長量

34、級。光子晶體的材料對工作波段的光的吸收很小。雖然光子晶體的理論基礎是建立在Maxwell方程基礎上，而半導體的理論基礎是建立在Schrodinger方程基礎上的，它們分別屬于電動力學和量子力學的范疇。但是可以證明：在光子晶體的條件下，由Maxwell方程和Schrodinger方程，可以得到相同的結果。如果比較薛定諤方程和波動方程：(薛定諤方程)(波動方程)以下兩式如果成立：則由薛定諤方程和波動方程可得到相同的結果。由于光子晶體折射率的排列與晶體中原子的排列類似，都具有周期性，分析時都可以引入布洛赫波函數(shù)，因而可以得出：當光子晶體中折射率周期為波長量級時可以出現(xiàn)與固體能帶理論中的禁帶相類似的光

35、學禁帶。從發(fā)展歷史上來看，光子晶體的研究是源自于對光子的兩個基本現(xiàn)象的研究（1987年同一期PRL上發(fā)表的2篇文章）。LocalizationofLightS.John，2486（1987）.Inhibition of Spontaneous EmissionE.Yablonovitch，Phys.Rev .Lett.58，2059（1987）事實上，在此之前人們早已應用了光子晶體；微波中的慢波結構和光學中的布拉格光柵，它們都屬于一維光子晶體。1991年制造出第一個人造三維光子晶體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

36、。1998年報道了第一個真正利用光子禁帶（PBG）導光的光子晶體光纖。VBerger于1998年提出非線性光子晶體。二維光子晶體與固體能帶理論類似，在完美的光子晶體中也可以引入雜質(zhì)和缺陷，使嚴格的周期結構破壞，這些缺陷能夠束縛一定頻率的光子，產(chǎn)生局域化的能級，這部分局域態(tài)位于光學禁帶之中。在光子晶體中也可以引入不同類型的缺陷；點缺陷，線缺陷和面缺陷等。這些缺陷的控制是光子晶體實現(xiàn)各種功能的基礎。缺陷態(tài)與局域態(tài)利用光子晶體的局域態(tài)可以制備光子晶體的波導，微腔，環(huán)形諧振腔，分束器，耦合器等波導器件，可以制備出微小型平面光學回路（PLC），也可能實現(xiàn)三維光學回路模塊。光子晶體具有某些獨特的光學特性，

37、如微腔的高Q值性，超棱鏡，大群折射率和負折射率等，使制備無閾值激光器，高效光放大器或其他功能器件成為可能。利用光子晶體的非線性光學效應，使制造出光開關、光二極管，光三極管，光邏輯回路等器件成為可能，是制造全光集成芯片的基礎。光子晶體在近代科學技術特別是光學上有很多重要的應用。這里我們僅討論光子晶體在THz技術中的應用。雖然光子晶體在THz技術中主要可以用來作為各種功能器件：1光子晶體THz傳輸線、波導2光子晶體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科技中應用的實例。（1）THz波在光

38、子晶體中的傳播，德國半導體研究所（InstitutsfrHalbleitertechnik)研究了THz波在光子晶體中的傳播，結果表明：THz波在硅二維光子晶體中能很好的傳播，理論和實驗相符。（2）德國Freiburg大學Sherwin Group使用了激光化學蒸汽沉積技術用Al203陶瓷材料研究制作了THz波光子晶體。（3）美國UCSB(圣芭芭拉大學)Sherwin Group研究制作了THz波光子晶體諧振腔。用硅材料使用離子蝕刻技術制成了三維光子晶體。（4）日本Osaka University用彩色打印機制作THz金屬光子晶體（5）日本物理化學研究所最近用多層約瑟夫結制作THz光子晶體濾波

39、器(PRL94，157004，2005) （6）光子晶體THz諧振腔美國University of Delaware用硅光子晶體制成，微盤結構（microdisk）光子晶體微諧振腔。為了發(fā)展THz光子晶體功能器件，需要做好以下研究工作：1理論研究：光子禁帶的理論基礎研究，如新型光子晶體及其光子能帶特點，慢變結構光子晶體，光子晶體非線性特性研究等2功能器件的研究及設計：THz光子晶體傳輸特性的研究，THz光子晶體濾波器的研究，THz二維光子晶體諧振腔的研究，THz光子晶體波分復用器件，THz光子晶體開關，THz光子晶體天線。實際上光子晶體本身就是一門交叉學科，許多領域有待研究和開發(fā)，有著重要的研

40、究和應用價值，在光學及其他相關領域如光通信等有很重要的應用。我們這里只研究光子晶體在THz科學技術中的重要應用。七、結語THz科學技術是重要的發(fā)展極其迅速的交叉學科前沿，世界各國都給予極大的重視。由于THz處于電磁波譜的特殊位置，它具有極重要的學術價值和獨特的性質(zhì)，從而使它具有非常重要的多方面的應用。THz科學技術發(fā)展至今不到20年，很多關鍵技術問題，如THz輻射源及THz檢測技術等尚不夠成熟。但是THz輻射的應用已在大力開展，并取得很多重要的成果。相關的THz成像和波譜技術也已經(jīng)并正在快速的發(fā)展。隨著THz科學技術及其應用的迅速發(fā)展，很多大學和研究機構的研究成果孵化出一批高科技產(chǎn)業(yè)正在推動新一代IT產(chǎn)業(yè)的興起。八、對我國太赫茲科學技術發(fā)展的戰(zhàn)略思考和建議THz科學技術是具有戰(zhàn)略意義的交叉學科前沿，既是重大科學項目，又屬于國家重大目標。國家應給予足夠的重視。我國THz科學技術的發(fā)展應該由國家主導推動，形成一個有目的、有計劃、有組織、有梯隊，分層次，從而能夠有序的開展研究工作。我國THz技術研究工作已經(jīng)有了一定的基礎，為了進一步