THz行业

中国太赫兹技术研究有望领先全球


太赫兹波段自从19世纪后期正式命名之后,收到欧美日中等多个国家的高度关注,各国纷纷将其入选改变世界的技术评比之中。尤其是中国,在当中的研究甚至超越了美日,名列世界前茅。本文详细介绍了太赫兹技术的前世今生。

“太赫兹”是指100 GHz~10 THz的电磁辐射(也有定义300GHz ~ 10 THz), 如图一所示,在电磁频谱上,太赫兹波段两侧的红外和微波技术已经相对成熟。

从19世纪后期太赫兹波段正式命名之后,涉及太赫兹波段的研究结果和数据却非常稀少,在此频段上,既不完全适合用光学理论来处理,也不完全适合微波的理论来研究,另外在很大程度上受限于有效的太赫兹源和探测器,因此这一波段一度被称为Terahertz Gap“太赫兹空隙”。太赫兹波以其独特的性能和广泛的应用而越来越受到世界各国的关注,已被国际科学界公认为是高科技领域的必争之地。

太赫兹,THz
图1: 太赫兹电磁波频谱介绍

2004年,美国政府将太赫兹技术评为 “改变未来世界的十大技术” 之一,DARPA(美国国防部高级研究计划局)和NASA(美国国家航空与航天局)自2009年起均投入较大的资金和研发力量,进行太赫兹组件及系统的研发。2005年,日本政府更是将太赫兹技术列为 “国家支柱十大重点战略技术” 之首。

太赫兹技术
图2: 香山会议制定我国太赫兹技术发展蓝图

我国政府分别在2005和2014年专门召开了 “香山科技会议” ,制定了我国太赫兹技术的发展蓝图。2016年底, “太赫兹谷” 如火如荼的在乌鲁木齐与中国电子科技集团公司合作下开始建设。另外欧洲,澳大利亚,日韩,台湾等许多国家和地区政府、研究机构、大学和企业纷纷投入到太赫兹研发的热潮中。

随着新技术和新材料的突破,有效太赫兹辐射源和探测器的相继问世, 太赫兹技术的研究和应用才有了较快发展, 在医疗诊断、天文、物体成像、工业探伤、宽带移动通信,雷达探测等众多领域显示了重大的科学价值及实用前景。

近年来太赫兹波发射源越来越简单,新材料太赫兹技术的突破将改变太赫兹技术仅在军事,航天,高端医疗领域有较多应用的现状,让太赫兹技术进入民用领域。


太赫兹波性能独特


太赫兹技术之所以引起科学界广泛的关注,是由于太赫兹波频率上要高于微波,低于红外线;能量大小则在电子和光子之间,与其他频率的电磁波相比,具有很多独特的性质。
高穿透性,太赫兹波对许多介电材料和非极性物质具有良好的穿透性,可对不透明物体进行透视成像,是X射线成像和超声波成像技术的有效互补;

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图3: 太赫兹成像取代X射线安检

低能量性:太赫兹光子能量只是X射线光子能量的约1%,太赫兹辐射不会导致光致电离而破坏被检质,非常适用于针对人体或其他生物样品的检查,如皮肤烧伤或皮肤癌的早期诊断,口腔疾病诊断,活体DNA鉴别等;
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图4: 太赫兹成像在医疗领域的应用举例

瞬态性:太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒数量级,通过取样测量技术,能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰;

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图5: 太赫兹用于地质探测

指纹光谱,大多数极性分子和生物大分子的振动和转动能级间距都处在太赫兹波段,通过特有的光谱特征可以识别分子结构并分析物质成分,具有指纹般的惟一性,就像利用指纹可以识别不同的人一样,根据这些指纹谱,太赫兹光谱成像技术能够鉴别物体的组成成分。

中国技术
图6: 太赫兹波与大分子测试
太赫兹研究概况

太赫兹测试
图 7: 太赫兹相关SCI论文发文量Top10国家/地区

SCI 检索显示,2015年内已发表太赫兹文献1456篇。相关1300余名科研人员遍及62个国家和地区,论文量最高的为中国(447篇),其次为美国(308篇),图7给出了论文量Top10的国家和地区。  图8揭示出国内外在太赫兹领域论文成果突出的10个科研机构,俄罗斯科学院与中国科学院近几年论文量一直不相上下,在2015年SCI论文量最高的为俄罗斯科学院(88篇),其次为中国科学院(82篇)。

中国电子科技大学近几年在该领域呈现出蓬勃的发展趋势,机构论文量排名相继从2013年的第10位增长到2014年第7位,并在2015年跃至第4位。除中国科学院、电子科技大学外,国内机构中的天津大学、首都师范大学均进入论文量排名前10. 总涉及500余个科研机构。

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图 8: 2015年太赫兹相关SCI论文发文量Top10机构

我国太赫兹技术现状

不同于微波毫米波和红外线领域,在太赫兹方面,我国与国外差距较小。伴随着材料学、半导体技术的发展,国内逐渐拥有了研究太赫兹技术的基础条件,科研人员也克服了重重困难,取得了非常可喜的成就。

单从论文发表的数量上,我国已经达到世界较为领先的地位,但是从科研到产业化的速度和能力,与欧美国家还存在较大差距。

至今除了航天、国防领域以外,太赫兹技术的大范围应用并没有如期而至,民用消费行业内大规模应用似乎仍然遥遥无期。

产业的投资可以说并不比欧美逊色,科研机构几乎覆盖了太赫兹领域的方方面面,从基础材料,单个探测器,发射器组件,到系统级整合应用都有所涉及。同时国内的的科研单位和研发企业的迅猛发展,让太赫兹测试测量领域的美国巨头VDI(Virginia Diodes,Inc)也感到了压力,不顾企业利润,向国内停售了起绝大部分高性能设备及系统。
我国太赫兹技术前景展望

如何让先进的科研成果尽快走出象牙塔,转化为现实的生产力,将成为太赫兹科技工作亟待解决的问题。各方均迫切需要有一个权威的跨界平台,将产、学、研、资聚合起来,共同解决领域内所面临的技术、产品、市场、标准、资本等问题。在此背景下,我们同样可以预期,太赫兹产业联盟将会适时应运而生。

成立太赫兹产业联盟,将会为研究机构、上下游企业、资本等各方建立起一座沟通的桥梁,协调基础研究、应用研究和产品研究之间的关系和快速转换。基于此,我们有理由相信,我国太赫兹科技领域势必产生出更多具有自主知识产权和自有核心技术的世界一流成果和产品。

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