2016太赫兹科技发展回顾与展望

2016太赫兹科技发展回顾与展望

一、回顾篇

    回眸2016年的太赫兹科技领域，我们可以用“精彩纷呈”这四个字来形容这一年里太赫兹领域所发生的诸多事件：研发取得突破，成果填补空白，产业不断布局等等等等，这一年的太赫兹领域给了我们太多的惊喜。与此同时，如何进一步加快技术研究步伐，解决太赫兹技术难点重点，如何在推进太赫兹技术标准化方面取得更多成果，从而落实我们国家可持续发展的总体战略，促进太赫兹科学技术稳步发展，争取太赫兹领域国际领先地位，既是太赫兹科技工作所面临的重大挑战，也是太赫兹科技工作者所面临的重大机遇。

    1、加州大学洛杉矶分校研发首个太赫兹VCSEL激光器
    加州大学洛杉矶分校（UCLA）电子工程系副教授本杰明•威廉姆斯带领的团队（包括诺斯罗普•格鲁曼公司航空航天系统的工程师），借助于UCLA的纳米电子研究设施，成功研发了第一个太赫兹垂直腔表面发射激光器（VCSEL）。提供了一条在太赫兹波段输出高功率、高质量光束的新途径。

    2、媲美光纤的太赫兹无线技术
    广岛大学，国家信息及通信技术研究所和松下公司宣布了频率大约在300 GHz通过多路通道以每通道每秒10吉比特数据传输率传输信号的太赫兹发射机的研发进展。该发射机通过硅CMOS集成电路来实现，这将具有极大的商业和消费需求优势。这一技术可能为无线通信开启全新的领域，它的数据传输速率是当前技术允许的10倍。

    3、美国研发出可在室温工作的紧凑太赫兹辐射源
    西北大学的Manijeh Razeghi和她的同事们开发出一种新的太赫兹辐射源。这种小型的、可在室温工作的器件，可基于强耦合应变平衡量子级联激光器设计，在腔内产生不同频率，从而在较宽的频率范围（1到5 THz）发出辐射。该发射器发射单模太赫兹辐射时，输出功率高达14 μW。该器件具有在安全距离内检测爆炸物、化学药剂和危险生物物质的能力，可以使公共场所更安全。

    4、苏州纳米所研制成室温高灵敏度太赫兹探测器单像元模块和焦平面成像器件
    中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所成功开发室温工作的高灵敏度单像元探测器模块和太赫兹焦平面成像器件，为进一步发展面向太赫兹成像和通信等应用的核心器件研制提供了关键技术支撑。目前课题组已成功研制出单像元、线阵列和焦平面太赫兹成像模组。

    5、国外太赫兹无损检测技术已趋成熟
    来自德国弗劳恩霍夫海因里希赫兹研究院的研究人员成功研制出一种非常紧凑、简单的新型太赫兹传感器探头。他们制造了一个能够同时发射和接收信号的集成芯片，这使得操作距离可以更加灵活。他们将太赫兹辐射中的发射器和接收器“打包”成一个收发器，并置于一个直径只有25毫米，长度只有35毫米的简易传感器探头内部。其成本也因此变得更低，装置操作也变得更加容易。他们设计的第一种传感器探头原型已经被用于在塑料管的生产线上检测管壁的厚度。此外，这种装置还非常适用于分析纤维复合材料上的涂层等。

    6、3D打印太赫兹镜头能发现隐藏的塑料和化学物品
    来自美国西北大学的机械工程助理教授孙成和他的团队使用新型超材料和3D打印技术开发出了一种可以使用太赫兹频率工作的新型镜头。与常见的镜头相比，它不仅具有较好的成像能力，在安全方面特别有用，而且更便宜、分辨率更高，适用范围更广。

    7、航天科工研制毫米波太赫兹波放大器核心部件 填补国内空白
    中国航天科工二院207所成功研制出毫米波和太赫兹波W波段放大器核心部件——螺旋波导，这在国内尚属首次。经试验测试，该螺旋波导各项性能指标均达到放大器的设计需求和预期，可实现信号的1000倍功率放大。该产品的研制成功标志着我国在大功率太赫兹器件研制路上的突破，为发展高功率毫米波与太赫兹波辐射源技术、太赫兹技术的工程应用打下了坚实基础。

    8、中科院重庆绿色智能技术研究院在高性能太赫兹偏振器件研究方面取得进展
    中国科学院重庆绿色智能技术研究院太赫兹技术研究中心研究团队在高性能太赫兹偏振器件研究方面取得进展。该团队以典型的太赫兹偏振片为研究对象，提出了一种基于多层亚波长金属光栅结构的以聚酰亚胺薄膜为衬底的太赫兹偏振器件，利用多层亚波长金属光栅的耦合作用使太赫兹偏振片具有较高的偏振消光比，以及自主研发的聚酰亚胺薄膜对太赫兹的低反射、低吸收特性使器件具有较低的传输损耗，有效解决了太赫兹偏振器件偏振消光比与传输损耗难兼得的矛盾。该研究由于采用成熟的光刻工艺，以平整硬质硅片为支撑，易于获得大面积结构均一、性能稳定的太赫兹偏振器件。同时，所建立的工艺可拓展至其他太赫兹器件，为实用化太赫兹器件的研发提供了一种新的实现方法。

    9、预聚束太赫兹自由电子激光技术原理与设计研究取得进展
    国家同步辐射实验室“先进THz技术课题组” 围绕“紧凑型THz电子辐射源”这一主题，开展理论研究及关键技术发展，取得了系列研究进展。将为未来的自由电子激光器大型科学装置提供关键原理和技术储备。
    在连续波THz辐射方面，该课题组利用其发现的特异Smith-Purcell效应，提高电子束与辐射之间的能量转换效率，进而提出了一种可基于成熟电子源技术来产生W量级辐射功率、频率可到1.5 THz的奥罗管辐射源方案。
    为得到更高功率的连续波THz辐射源，该课题组提出一种THz尾场辐射自由电子激光谐波产生技术，可基于技术成熟的、可移动的高压直流电子枪产生kW量级的THz辐射源。
    在辐射频率可连续调谐的THz源方面，该课题组在其掌握的激光脉冲堆积技术及高品质电子脉冲串产生技术的基础上，通过采用高次谐波增强技术提出了一种紧凑型（全长3米左右）、高功率（MW级脉冲功率）、频率大范围连续可调谐（0.5-5.0 THz）的预聚束THz自由电子激光辐射源方案。
    为克服基于微波电子枪的辐射源在产生低频率（0.5 THz以下）、高重复频率、小型化光源方面的限制，该课题组采用激光脉冲串激发光阴极直流电子枪产生非相对论性电子脉冲串，通过调节电子脉冲重复频率、选择性激发慢波结构的不同高阶模式，并利用非相对论电子束速度可调的特性，提出一种辐射频率0.1-1.0 THz可调的小型化、高重复频率辐射源。

    10、产生太赫兹辐射的超快方法促进了材料科学
    乌普萨拉大学的研究人员与来自德国、法国和美国的研究人员合作，开发出一种新型太赫兹激光发射器，该设备比迄今为止的同类设备的性能都要好。该太赫兹激光发射器建立在乌普萨拉物理学家提出的超高速自旋传输原理的基础上。
    和目前的源相比，这种脉冲非常短，具有更高的强度以及覆盖更宽的太赫兹频率范围。这一研究对材料研究非常重要。

    11、中国电科首次完成全固态太赫兹成像雷达系统样机研制
    中国电科顺利完成全固态太赫兹成像雷达系统样机的研制。这是中国电科首部全固态太赫兹成像雷达系统样机，目前已经达到国内一流，国际先进水平。
    该太赫兹成像雷达系统由中国电科14所智能感知技术重点实验室研制，在集团公司创新基金支持下，在中国电科12所、13所、55所，以及电子科技大学的鼎力协助下，经过仅两年多的不懈努力获得此成果，完成了太赫兹宽带一维距离像和ISAR成像试验，获得集团首幅ISAR图像，成像分辨率、成像副瓣电平等指标均达到预期效果，取得阶段性重大研究进展与成果。

    12、利用太赫兹光谱快速检测致病菌
    第三军医大学西南医院综合实验研究中心主任罗阳教授与检验科主任府伟灵教授及其团队在历时4年研究后，成功利用太赫兹光谱首次实现了多种临床致病菌的快速检测，其检测时间只需要10秒左右，这意味着太赫兹光谱将有望首次在临床医学上运用，具有划时代意义。

    13、利用多层石墨烯锥形结构增强太赫兹波的纳米聚焦的研究
    武汉光电国家实验室超快光学研究团队陆培祥教授、“青年千人”王兵教授和博士生刘为为等人设计了一种基于多层石墨烯(多个石墨烯单层由介质隔开)锥形结构来增强THz波的纳米聚焦，每层石墨烯SPP之间的相互耦合使得THz光场能够被极大压缩并限制在纳米锥的尖端。研究结果表明，3层石墨烯锥可以使波长为50微米的THz波电场强度增强约620倍，明显优于单层石墨烯锥的增强效果(240倍)，通过调节石墨烯化学势和入射THz波长，其电场强度可进一步增强达1800倍。此外，多层石墨烯锥对光场的限制能力也大大增强，在锥尖光场可以被压缩至入射波长的1/2800，比类似金属/介质结构至少提高了一个数量级。这一研究结果对于实现高强度和纳米尺度的THz光源提出了一种新的实现方式，为THz波在非线性光学和纳米光学等领域的应用奠定了理论和实验基础。

    14、上海交大科研团队基于相对论激光等离子体的强太赫兹辐射源研究取得突破
    上海交通大学物理与天文系激光等离子体实验室张杰院士、盛政明教授等人与中国科学院物理研究所光物理重点实验室李玉同研究员组成的研究团队基于相对论激光等离子体的强太赫兹辐射源研究获重要进展。
    该团队廖国前、远晓辉等人利用上海交通大学激光等离子体教育部实验室200TW激光装置，将研究范围拓展到在固体靶后的太赫兹辐射产生。在相对论飞秒激光与固体薄膜靶作用中，在靶后产生了单发能量近400微焦的太赫兹脉冲，这已与大型加速器产生的太赫兹脉冲能量相当。太赫兹辐射产生的物理图像为：相对论激光与等离子体相互作用产生了大量前向超热电子，这些电子从靶后表面逃逸到真空中时，会激发渡越辐射。由于电子束的脉冲时长为几十飞秒到皮秒量级，所以相干辐射波长在太赫兹波段。实验研究了小尺寸金属靶、金属-聚乙烯(PE)复合靶、聚乙烯靶等不同靶型的渡越辐射，实验结果完全验证了这一产生机制。实验中还同时观测了靶后鞘层场加速产生的离子束特性，发现离子束与太赫兹辐射呈现非同步的变化规律，这表明在该实验条件下，太赫兹辐射与离子加速的产生机制并不一样，这与目前国际主流的认识不同。该团队提出的产生机制和实验演示不仅为实现小型化、大能量、宽谱太赫兹辐射源开辟了新途径，而且有望发展成为一种在线诊断激光等离子体相互作用的新方法。

    15、基于QCL系统, 瞬间实现太赫兹光谱探测
    美国麻省理工大学电子研究试验室的研究人员研发了一种基于量子级联激光器(QCL)的新型太赫兹光谱探测系统作为太赫兹辐射光源，其尺寸仅为计算机芯片大小。作为光谱仪，该系统紧凑小巧，能在100μs内生成物质的光谱信号，如应用于爆炸物的探测，就具有速度快、成本低、易携带的特点。该系统的高效性还体现在其发射出的太赫兹辐射位于“频率梳”内，频率梳就是一系列均匀分布、高效有用的频率。研究人员表示，这一设计是一项重大突破。

    16、西安理工大学施卫教授团队在超快光电技术领域的研究取得进展
    西安理工大学理学院施卫教授团队在超快光电技术领域的研究取得进展。该研究工作在国际上首次发现：利用弱光（1.6µJ、脉宽25.7ns）触发GaAs光电导开关（GaAs PCSS），可以实现幅值9kV、脉宽7.3ns的超快电脉冲输出，其电脉冲比触发光脉冲还要快，突破了触发激光脉冲参数对GaAs PCSS超快输出特性的约束，特别是这一结果直接验证了之前提出的光激发电荷畴猝灭模式的理论。同时，该成果为所承担的国家自然科学基金重大仪器研制专项（61427814）的顺利实施奠定了理论和实验基础，有望在国际上首次实现具有雪崩倍增机制的光电导太赫兹辐射源。

    17、中国电科完成首幅太赫兹SAR图像
    中国电科14所智能感知技术重点实验室太赫兹SAR成像试验取得成功，完成中国电科首幅太赫兹SAR图像，这标志着实验室在太赫兹雷达系统与太赫兹成像算法方面取得了重要突破，为太赫兹雷达装备后续研制与应用奠定了重要基础与技术储备。

    18、芜湖太赫兹科学城暨工程中心开工建设
    9月29日，芜湖太赫兹科学城暨工程中心项目开工，标志着芜湖太赫兹产业项目正式启动，这是芜湖实施领跑计划在微电子领域取得的重大突破。安徽省8月份公布的全省首批3个重大工程，芜湖太赫兹芯片工程入选。芜湖太赫兹芯片制造及产业化项目将力争“十三五”末产值突破千亿元。

    19、重庆率先将太赫兹技术应用于复合材料无损检测
    中国科学院重庆绿色智能技术研究院太赫兹技术研究中心在国内率先将太赫兹技术应用于复合材料无损检测，目前已在重庆国际复合材料有限公司、重庆市纤维检验局等4家单位实现了示范应用。除了应用于复合材料，他们还与重庆墨希科技有限公司合作，在国内首次将太赫兹技术应用于石墨烯薄膜材料电导特性的检测，实现对大面积石墨烯薄膜材料的质量监控，推动石墨烯的应用和产品开发。

    20、中国获得了首幅太赫兹波段外场SAR图像
    中国航天科工集团二院23所近日开展外场试验,获得了国内首幅太赫兹波段外场SAR(合成孔径雷达)图像,主要技术指标和成像算法得到了试验验证。该系统的成功研制标志着太赫兹波段雷达成像关键技术取得突破性成果,为太赫兹雷达工程应用奠定了技术基础。

    21、首个可弯曲太赫兹扫描仪问世
    日本东京工业大学川野由纪夫(音译)和同事利用碳纳米管研发出首个可移动、可弯曲、可穿戴的太赫兹扫描仪,能对包括人体在内的三维卷曲物体进行成像检测。川野和同事利用碳纳米管薄膜设计研制出的首个可弯曲太赫兹成像装置,能在室温下探测到频率在0.14到39太赫兹范围内的所有射线,并且可包裹起来方便携带。新太赫兹扫描仪可用在工业企业中对非平面产品如塑料瓶和药品进行快速和多角度检测。

    22、马可尼激发莱斯大学研制1THz无线通信系统
    莱斯（Rice）大学的无线研究人员制造了第一个能够传输每秒1 terabit数据的无激光无线系统。莱斯（Rice）大学工程研究人员Babakhani的实验室在今年早些时候创下了一项世界纪录，他们发射了最短的1.9皮秒的无线电脉冲，将开发和制造一个餐盘大小的发射机，可在高频率范围从100 GHz到几个THz发送甚至更短的脉冲。

    23、我国高精度大口径极化栅网研制成功
    中国航天科工集团二院203所成功研制出国际上首台真空环境全极化辐射计定标源，随之攻克了极化栅网缠绕技术，研制出国内首批高精度大口径极化栅网及首套全自动栅网缠绕系统。作为全极化辐射计定标源中的核心部件，极化栅网是毫米波太赫兹准光链路中的关键基础器件。

    24、新疆“太赫兹谷”建设拉开序幕
    11月23日，乌鲁木齐高新区（新市区）与中国电子科技集团公司第三十八所签约，拉开了新疆“太赫兹谷”的建设序幕。双方签约的项目不仅填补了新疆太赫兹领域的行业空白，还有望大力提升新疆安检安防产业和反恐维稳事业的水平。项目总投资额约4亿元，产业可辐射全国乃至中西南亚，项目拟实现国内太赫兹行业由研发向产业化方向重要转变。

    25、量子点为小型化太赫兹设备提供了新平台
    来自俄罗斯和英国的科学家们开发了一种天线，可以显著降低太赫兹辐射源的体积到一个指尖的大小。该天线是一个与量子点相结合的半导体层的“三明治”结构，提供了一种新型的通用系统，能够实现太赫兹辐射的发射和接收两种功能。这种紧凑型的设备，工作在太赫兹范围内，在医学和生物学的肿瘤可视化以及在航空航天工业上的高速通信系统中都将有所应用。

    26、同轴双电子注太赫兹回旋管的研究进展
    电子科技大学太赫兹中心研制出工作频率0.11THz/0.22THz、输出功率20kW的双频工作同轴双电子注回旋管，原创性的提出了一种基于准光技术和频率选择表面的、能有效分离双频工作回旋管中两个不同频率电磁波功率的方法，并进行了实验验证。和美国麻省理工学院Temkin教授团队合作开展了用于增强核磁共振的连续波太赫兹回旋管研究。

    27、电子学与光子学相结合产生电磁辐射的研究进展
    电子科技大学太赫兹中心在电子学与光子学相结合产生电磁辐射的研究中，发现在圆柱双层石墨烯波导结构中，利用双层石墨烯的相互耦合打破了表面等离子体激元传输局域性和传播长度不能并重的局限性，实现了表面等离子体激元波导的高度局域性和长距离传输；研究了电子注激励等离子体激元（SPPs）的新方法，解决了电子注激励时需靠近金属表面等问题，同时使得被激励SPPs衰减时间增长，场幅值增大。同时，在实验方面，电子科技大学刘盛纲院士团队与北京大学陈佳洱院士团队、中科院成都光电所罗先刚研究员团队协同合作，首次验证了自由电子激发表面等离子体产生切伦科夫辐射这一物理原理，该原理有望产生从太赫兹直至紫外的电磁辐射。

    28、刘盛纲院士荣获红外毫米波-太赫兹领域国际最高奖
    9月28日，在哥本哈根召开的第41届“国际红外毫米波-太赫兹会议（IRMMW-THz）”上，中国科学院院士、电子科技大学刘盛纲教授荣获由国际红外毫米波太赫兹学会颁发的该领域最高奖—— “杰出贡献奖”，以表彰其在本领域的杰出成就和突出贡献。刘盛纲院士此次获奖，是迄今为止国际上获得该奖的第三人、华人第一人。

    二、展望篇

    在对2016年太赫兹科技进行盘点之后，面对全新的2017年，我们可以有哪些新的期待呢？也许首先我们要期待的是太赫兹科技即将迎来一个真正充满爆发力的时代。再将视角缩小到每一位太赫兹科技工作者和关心太赫兹科学事业发展的每一个人身上，2017年及之后的太赫兹科技领域将会有哪些新的变革？又会有哪些新的技术难点重点被突破被攻克？这些应是我们更为关心和期待的。且让我们提前挖掘未来几年太赫兹科技的新看点。

    展望一：构建具有国际竞争力的太赫兹技术优势

    放眼全球，太赫兹技术已成为当今新一代信息技术领域的重点战略目标。今年八月国务院发布了《“十三五”国家科技创新规划》，太赫兹通信技术研发及应用和相应的硅基太赫兹技术研究作为重点发展和突破的技术之一被列入其中。尤其太赫兹单片集成电路技术的研发，将打开一系列革命性的大门，包括高分辨率安全成像、更好的防撞雷达、大容量通信网络和高灵敏光谱检测危险化学品和爆炸物等技术。这对于带动我国太赫兹基础科学研究及其技术应用研究，打造太赫兹科技核心竞争力有着十分重要的意义。

    通过制定太赫兹应用研发国家层面上的规划和加快战略布局，中央与政府谋划，部门与地方重视，机制与创新搭台，科研与产业唱戏，我们可以预期，未来几年必将构建起具有国际竞争力的中国太赫兹技术优势，从而提升我国太赫兹科技的国际引导力。

    展望二：太赫兹产业联盟崛起 技术研发和产业布局协同发展

    随着太赫兹科学研究的不断深入，如何让先进的科研成果尽快走出“深闺”，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。

    进入2017年，随着国家战略规划布局的展开，如何在国家层面的政策指导下达成技术共识，加快提升太赫兹技术研发成果的转化速度，打通全产业上下游链，提升整个太赫兹产业链的竞争力，是太赫兹领域所共同面临的问题与共性需求。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，这不仅为太赫兹研发成果在国内乃至国际的有效推广奠定产业基础，更可以加快我国太赫兹技术产业化进程，从结构上解决产业链上下游的资源调配整合，从而将包括组件、系统、应用等在内的整个系统同步推进，进而实现技术研发和产业布局的协同发展。

    展望三：太赫兹技术重难点研究突破更趋清晰化

    根据国家的战略规划布局，对在室温下连续工作的高功率太赫兹辐射源、高灵敏度太赫兹波探测器及开发调控太赫兹波的器件（包括调制器/滤波器/波导/交叉开关）等关键组件进行研究，研制高性能太赫兹固态器件，解决太赫兹信号的调制和处理技术，研发更高频率的太赫兹集成电路等将成为我国下一步太赫兹科研工作的重中之重。

    通过太赫兹科学协同创新中心这一重要平台，整合优势资源，积极开展相关专项和上述重难点技术课题的前瞻性联合研究与开发，持续加强与国际发达国家开展太赫兹科技研发工作的经验交流与合作，助推包含自主知识产权的相关技术标准的创制并纳入国际标准体系。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。

    展望未来，我们任重而道远。2017年，太赫兹科技的发展将踏上另一个新的征程。我们期待太赫兹科研工作者和产业工作者继续保持激情与梦想，志存高远、开拓创新、追求卓越，共同书写太赫兹领域的新篇章，共同见证太赫兹领域的新变革，共同推进太赫兹领域的新发展! 我们坚信：太赫兹科技“两岸猿声啼不住，轻舟已过万重山”的美好未来也将殊为可期。