太赫兹技术及其发展前景(姚建铨院士)

姚建铨([e-mail])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-TechnologyandItsApplicationForeground天津大学激光与光电子研究所Jian-quanYaoProfessorandDirector,InstituteofLaser&Opto-electronics,TianjinUniversity,Tianjin300072,ChinaAdjunctProfessorofHKUST,HongKongAcademician,ChineseAcademyofScienceTel:--86-22-27402416,Fax:--86-22-27406436Emai:[e-mail];[e-mail];太赫兹科学（THz）THzGap频率：0.1THz–10THz（3mm–0.03mm)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（2005-2010）THz遥感（2005-2012）光子带隙材料（2004-2009）微机械探测器（2006-2015）THz-BridgeTeravisionNanoTeraWANTED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（2005—2012）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）太赫兹波应用②③①④⑤⑥•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–10THz，0.03mm–3mm)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0.51.01.52.02.53.00321Frequency(THz)海洛因0.51.02.53.00.03.53.02.52.01.51.00.54.0ketamine1.52.0Frequency(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2004/8/3,18kmbyMLSonAura检测大气THz微量分子变化vs全球气候变暖Ivisonetal.2000THz观测更遥远星系（等值图：THz;照片：光学）Safe,extremelylowpowerelectromagneticilluminationT-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。THzimagingprogramofDARPA2004年美国国防部DARPA正投入大量的资金，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。SomeapplicationsofThzTechnology•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•AdvancedPhotonix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。PhaseI-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，PhaseII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、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。Photosyntheticreactioncenter:orientationofelectrontransfercomponentsandtimeofindividualevents健康组织转移瘤石腊50nm含瘤肝样品的光学图像与THz成像0.2~0.5THzTeraView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DistinguishingAnhydrous&HydratedDrugs安全检查太赫兹成像机场安检危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SpectraTHz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THzApplicationsinAnti-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)PCAtransceiver(b)EOtransceiver应用:国防及太赫兹雷达probemetallicmirrorchopperTHzpumptransceiverlock-inprobeTHzpumpZnTemetallicmirrorchopperTransceivers.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CapitalNormalUniversity成像可以显示前方示前方灰尘灰尘或烟雾雾中的坦克。中的坦克CapitalNormalUniversity应用(3):无损检测（NDT）航天CapitalNormalUniversity’sfueltankdetachedandstruckthewinguponlift-off.Defectsinthefoaminsulationlikelycausedthematerialtodetach.SpaceShuttleColumbiaTragedy,Feb.1,2003Map预埋29个缺陷，28个被探测出红色圆圈表示一个缺陷点NASAPanel#75withArtificialDefects0.2太赫兹成像THzWave“Sees”StrengthofGraphiteCompos