太赫兹技术概述、特点及其应用前景

太赫兹技术概述、特点和其应用前景THz-Technology

and

ItsApplication

Foreground太赫兹技术概述、特点和其应用前景太赫兹科学（THz）太赫兹技术概述、特点和其应用前景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太赫兹技术概述、特点和其应用前景利用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辐射的特点太赫兹技术概述、特点和其应用前景能量: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太赫兹技术概述、特点和其应用前景国内外研究概况和发展趋势太赫兹技术概述、特点和其应用前景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太赫兹技术概述、特点和其应用前景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（2004-200THz空间天文学（2005-2010THz

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----TH太z赫远兹技距术概述离、特检点和测其应系用前统景（

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)太赫兹技术概述、特点和其应用前景亚洲日本——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）日本政府2005年元月也把太赫兹技术确立为今后十年内重点开发的“国家支柱技术十大重点战略目标”之首,并列入日本政府从2006年开始到2010年结束的第三期科学技术基本计划予以支持。太赫兹技术概述、特点和其应用前景THz研究单位地理分布太赫兹技术概述、特点和其应用前景太赫兹波应用太赫兹技术概述、特点和其应用前景②③太赫兹技术概述、特点和其应用前景①④⑤⑥重大需求的牵引太赫兹技术概述、特点和其应用前景为什么要研究THz?抢占太赫兹频率资源----人类共享（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太赫兹技术概述、特点和其应用前景新一代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0.5太赫兹技术概述、特点和其应用前景2.53.003Absorbance2(a.u.)11.0

1.5

2.0Frequency

(THz)海洛因0.51.02.53.00.03.53.02.52.0orbance

(a.u.)1.51.00.54.0ketamine摇头丸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-国家重大需求太赫兹技术概述、特点和其应用前景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大气THz

微量分子变化

vs

全球气候变暖Ivisonetal.2000Safe,

extremely

low

powerelectromagnetic

illumination太赫兹技术概述、特点和其应用前景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。太赫兹技术概述、特点和其应用前景THz

imaging

program

of

DARPA2004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。太赫兹技术概述、特点和其应用前景沙尘暴海上的浓雾浓烟优点:全天候能力；反目标隐蔽能力强；抗背景杂波干扰能力强；特别的穿透探测和识别能力；可实现三维成像。全天候太赫兹技术概述、特点和其应用前景带宽很宽(0.1-10T)HzTHz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。基于焦平面阵列成像技术的太远赫兹技术概述、特点和其应用前景距离雷达示意图Some

applications

of

Thz

Technology太赫兹技术概述、特点和其应用前景••••••••••••••••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太赫兹技术概述、特点和其应用前景•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太赫兹技术概述、特点和其应用前景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。太赫兹技术概述、特点和其应用前景Photosynthetic

reaction

center:orientation

of

electron

transfer

componentsand

time

of

individual

events太赫兹技术概述、特点和其应用前景健康组织 转移瘤太赫兹技术概述、特点和其应用前景石腊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太赫兹技术概述、特点和其应用前景药物分析应用Distinguishing

Anhydrous

&

Hydrated

Drugs太赫兹技术概述、特点和其应用前景安全检查机场安检密封的包裹操作过程金属、非金属类的危险品探测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太赫兹成像Spectra太赫兹技术概述、特点和其应用前景携带武器人的太赫兹图像THz在国土安全检测方面的应用太赫兹技术概述、特点和其应用前景毒品、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太赫兹技术概述、特点和其应用前景“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。太赫兹技术概述、特点和其应用前景材料的THz光谱信息库太赫兹技术概述、特点和其应用前景爆炸物日常用品制衣材料反恐?太赫兹技术概述、特点和其应用前景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太赫兹技术概述、特点和其应用前景(b)

EO

transceiver应用:国防及太赫兹雷达probemetallic

mirrorchopperTHzpumptransceiverlock-inprobeTHzpumpZnTemetallic

mirrorchopperTransceivers.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）太赫兹技术概述、特点和其应用前景美国0.225THz雷达太赫兹技术概述、特点和其应用前景更多军事应用前景太赫兹技术概述、特点和其应用前景Capital

Normal

University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更多军事应用前景太赫兹技术概述、特点和其应用前景Capital

Normal

UniversityTHz成像可示前方灰尘雾中的坦克。THz

以显灰尘中的坦应用(3):无损检测（NDT）太赫兹技术概述、特点和其应用前景Capital

Normal

University航天bipodThistragedyisduetoaninsulationfoamontheshuttle’sfueltankdetachedandstruckthewinguponlift-off.Defectsinthefoaminsulationlikelycausedthematerialtodetach.SpaceShuttleColumbiaTragedy,Feb.1太,赫20兹0技3术概述、特点和其应用前景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

#75with

Artificial

Defects0.2太赫兹成像太赫兹技术概述、特点和其应用前景THz

Wave

“Sees”

Strength

of

Graphite

CompositeThe

reflective

THz

wave

(polarization,

phase,

and

amplitude)

from

aircraft

grafiber

composite

materials

provides

strength

levels

after

the

heat

damage.Unpublished,

2005.太赫兹技术概述、特点和其应用前景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ZnTepolarizerlens

2foptical

beam2fanalyzerCCD

cameraClara

Schumann

(1819-1896),太赫兹技术概述、特点和其应用前景天文观测太赫兹技术概述、特点和其应用前景欧洲遥感卫星(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Aura上MLS测量地球的水汽分布Our

Universe

&

Astronomical

Frontier太赫兹技术概述、特点和其应用前景宇宙构成: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

formation太赫兹技术概述、特点和其应用前景Stars

are

formed

by

gravitational

collapse

deep

inside

coldmolecular

gas

clouds,

which

also

contain

large

amounts

ofdust

which

makes

them

opaque

at

visible

or

near-IRAB

Aur

star

by

SubaruAB

Aur

star

by

Subaru/SMAstudy

of

planetary

sciences太赫兹技术概述、特点和其应用前景MARS

by

SMA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。Hale-Bopp

HCN

J

=

4-3

/

1997/3/16Matthews/Senay/Jewitt

(JCMT)Ivisonetal.2000SCUBA亚毫米波源的发现星系团A1835的光学和亚毫米亚毫米波源（等值图）是暗的或没有光学对应体。study

of

interstellar

dust

emission

from

galaxie—个和恒亚星毫形波(Ivisonetal）像。很明显,米成波星（

团CO

的）

光像学HSTearliest,

very

distant

galaxies,

most

of

the

starlight(UV/visible)

does

not

reach

us,

instead

absorbed

by

dust

andreradiated

at太赫l兹o技n术g概e述r、特w点a和v其e应l用e前n景gths

(THz).大型THz天文计划-1ground-based

interferometersMA-ACA,x12m

+12x7mantennasSMA计划（0.2-0.9THz,MaunaKea/Hawaii）国际上目前唯一在运行亚毫米波干涉阵太赫兹技术概述、特点和其应用前景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:2003-2007-2012,＄9亿参加国:欧洲ESO、北美（美加，NRAO）、日本（NAOJ）、智利米波,超高空间分辨太赫率兹技术,概述超、特点高和其灵应用前敏景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。太赫兹技术概述、特点和其应用前景ALMA计划简介-2Nearby

Galaxies太赫兹技术概述、特点和其应用前景Distant

GalaxiALMAvs.HubbleDeepFieldALMA

Deep

FieldWootten

&

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太赫兹技术概述、特点和其应用前景大型亚THz天文计划-南极—最好的地面亚毫米波站址太赫兹技术概述、特点和其应用前景South

pole:

2300

m

Dome

A:

>

4000

m

Dome

C:

~

3250mHEAT:

High

Elevation

AntarcticTerahertz

Telescope,

0.8,

1.4

&

1.9太赫兹技术概述、特点和其应用前景The

first

THz

communication

in

the

world!The

achievement

of

the

wireless

sub-THzcommunication

(Japan,

NTT

Corporation,

NTTMicro-system

Integration

Laboratories

2005,8)The

photographs

of

the

transmitter

front

end

and

its

setup

for

thefield

trialSub-THz

operation:

120GHzLong

distance:>1kmHigh

output

power:

10dBmHigh

channel

capacity太:赫6兹-技c术h概an述n、e特l点u和n其c应o用m前pr景essed

HDTV

signal••••太赫兹技术概述、特点和其应用前景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Applicationsof10Gb/swirelesslink,120GHz,1km,NTTCo.JapanTHz在通信方面的应用太赫兹技术概述、特点和其应用前景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太赫兹技术概述、特点和其应用前景THz通信特点太赫兹技术概述、特点和其应用前景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太赫兹技术概述、特点和其应用前景••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通信几个研究计划太赫兹技术概述、特点和其应用前景

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辐射调制传输距离1m

然后通过天线解码,发送到扬声器.ElectronicsLetters40Jan.(2004)太赫兹技术概述、特点和其应用前景THz波通信的实现情况(二)2005年美国的EricR.Mueller和AnthonyJ.DeMaria提出的超高宽带通信方案:该系统运行在2.5THz时，可以得到160GHz的信息速率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太赫兹技术概述、特点和其应用前景太赫兹技术概述、特点和其应用前景中科院微系统所中红外激光器演示系统太赫兹技术概述、特点和其应用前景THz在半导体物理与器件研究中的应用太赫兹技术概述、特点和其应用前景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太赫兹技术概述、特点和其应用前景Air太赫兹技术概述、特点和其应用前景0.80.4THz

Signal

(a.u.)

Chip0.0-0.41248Time

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图象太赫兹技术概述、特点和其应用前景THz-学术前沿包括Nature,Science论文20余篇,2006年太赫到兹技术现概述在、特点共和其应9用3前景5篇文章太赫兹波研究在中国太赫兹技术概述、特点和其应用前景THz研究在中国太赫兹技术概述、特点和其应用前景2005.11召开THz香山会议The

present

status

in

China太赫兹技术概述、特点和其应用前景••••••••••中科院物理所(THz时域光谱和成像,高功率THz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(OpticalpumpedTHzsource)我国政府和各研究机构的广泛重视太赫兹技术概述、特点和其应用前景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)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,半导体所等太赫兹技术概述、特点和其应用前景THz-国内研究动态太赫兹技术概述、特点和其应用前景太赫兹技术概述、特点和其应用前景太赫兹技术概述、特点和其应用前景2007我国首个太赫兹973计划获得立项太赫兹技术概述、特点和其应用前景总经费: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，首都师范课题1基于真空电子学太赫兹辐射源基础研究；课题2太赫兹量子级联激光器的研究；课题3光子学与非线性光学产生太赫兹辐射源的基础研究；课题4太赫兹辐射的高灵敏检测技术基础研究；课题5太赫兹波与凝聚物质相互作用研究课题6超强等离子体太赫兹辐射物理研究；课题7太赫兹传输特性及磁光子晶体波导研究；课题8太赫兹波谱与成像研究。太赫兹技术研究的内容太赫兹技术概述、特点和其应用前景半导体,真空电子、激光,等离子体太赫兹技术概述、特点和其应用前景电子学光子学THz应用研究内容THz探测、传输THz与物质的作用和探测机理Main Research

Subjects太赫兹技术概述、特点和其应用前景Tera

Hz

theoryTera

Hz

radiation

sourcesTera

Hz

radiation

detectionTera

Hz

radiation

propagationTera

Hz

devicesTera

Hz

application

fundamentalresearchTera

Hz

application二、THz辐射源电子学光子学THZ太半赫兹技导术概体述、特物点和理其应学用前景THz

source太赫兹技术概述、特点和其应用前景

The

electronics

method（基于电子学的THz辐射