改变未来世界的太赫兹技术

“太赫兹”（THz）是一个频率单位，1太赫兹等于10的12次方赫兹。频率在0.1—10THz的电磁波，称作“太赫兹波”，其波长介于远红外光与毫米波之间。据上理工光电学院院长庄松林院士介绍，在电磁波家族中，太赫兹波的地位很特殊，由于它处于微波电子学与红外光子学的交叉、过渡区域，而且没有太赫兹源和检测器，很长时间里科学界缺乏系统研究。从上世纪90年代起，科研人员开始研发太赫兹源和检测器，使太赫兹科技成为全球科技前沿。

　　2004年，美国麻省理工学院将太赫兹科技评为“改变未来世界的十大技术”之一。美国国防部先进研究项目局（DARPA）、美国航空航天局（NASA）等机构投入重金，把太赫兹波用于军事、太空探测项目。日本政府将其列为“国家支柱技术十大重点战略目标”之首，宣称将在2020年东京奥运会时实现太赫兹高速通信，速度为每秒100千兆，是目前LTE网络的1000倍。

　　太赫兹波介于中红外和微波之间，是一种安全的具有非离化特征的电磁波。它能够穿透大多数非导电材料同时又是许多分子光学吸收的特征指纹光谱范围。它的光子能量低（1 THz对应的能量大约4meV），穿透生物组织时不会产生有害的光电离和破坏，在应用到对生物组织的活体检验时，比X光更具优势。它的波长比微波短，能够被用于更高分辨率成像。THz波在分子指纹探测、诊断成像、安全反恐、宽带通讯、天文研究等方面具有重大的科学价值和广阔的应用前景。而随着激光技术进入太赫兹波段，为太赫兹开发带来了最具竞争力的光源，同时也为太赫兹研究打开了新天地。

　　近日，中国科学院上海技术物理研究所首次自主研制的太赫兹量子级联激光器成功实现激射。中科院红外成像材料与器件重点实验室的科研人员采用先进的分子束外延技术和半导体微纳加工平台自主完成了太赫兹量子级联激光器的结构设计、材料生长和器件制备。激光器经法国国家科学研究中心基础电子学研究所测试，激光频率为2.5THz，最高工作温度为73K，输出功率为5mW；器件性能与英国剑桥大学研制的同样采用“束缚态至连续态跃迁”有源区设计方案的激光器水平相当。上海技物所中科院“百人计划”徐刚毅研究员在2014年10月举行的第十二届中红外光电子材料与器件国际会议上做了题为Photonic Engineering in Terahertz Quantum Cascade Lasers 的特邀报告，并在会上介绍了这一成果。

　　太赫兹量子级联激光器的研制难度大，对结构设计、材料生长和器件工艺均有很高的要求。上海技物所首次研制的太赫兹量子级联激光器即获得成功激射，并达到国际先进水平；激光器的结构设计、材料的分子束外延，以及器件的微纳加工与封装均由该所自主完成。这标志着上海技物所依靠自主能力在太赫兹量子级联激光器领域进入世界前列。该项成果已经引起了国际同行的高度关注和兴趣，已有多个研究单位表达了与上海技物所在太赫兹激光领域开展合作的意向。

　　太赫兹激光器国内外进展情况：

　　1、输出能量高于一瓦特的太赫兹量子级联激光器

　　近期，研究人员宣布他们已经制造出了输出能量高于一瓦特的太赫兹量子级联激光器。

　　太赫兹波，在电磁波谱图中位于红外线与微波之间，能够穿透可见光无法透过的物质。所以，太赫兹波可被用于药品监控、遥测密封于信封中的化学爆炸物和无创检测人体癌症。

　　然而，对于科学家和工程师来说，实现太赫兹波应用的最大挑战在于增加激光器的能量和能量密度，使其具备实用性。

　　“尽管科学家们可以使用大型设备产生高能的太赫兹波束，但由于这些设备过于笨重，应用范围极其有限。”来自英国利兹大学(University of Leeds) 电子与电气工程学院的太赫兹电子学教授Edmund Linfield指出，“我们不仅需要能量强大的太赫兹激光器，还必须要求它小巧便携，成本低廉。”

　　Linfield和他的同事们正在研制的量子级联太赫兹激光器十分小巧，大小仅有几平方毫米。

　　2013年10月，维也纳理工大学(Vienna University of Technology)的研究者们宣布，他们创造了量子级联太赫兹激光器输出能量的新世界纪录，该纪录之前由美国麻省理工大学(MIT)所保持。

　　根据这支奥地利团队的报告，他们制造的激光束单面能量达到了0.47瓦特，几乎是麻省理工大学团队所持记录的两倍。而目前，利兹大学的研究团队宣布他们制造的激光束单面能量已经超过了1瓦特。

　　Linfield 说道：“制造这类激光器的流程异常复杂，需要将诸如砷化镓之类的半导体材料依次层层堆叠起来，每层仅有单个原子的厚度。”

　　“堆叠半导体材料层时，需要非常精确地掌握好每一层的厚度和比例，整个过程中我们总共堆叠的层数多达1000至2000层。”

　　2、太赫兹激光器将磁化强度控制在皮秒量级

　　瑞士保罗谢勒(PSI)研究所开发的太赫兹激光器使人们有可能将材料中的磁化强度控制在皮秒时间尺度内，现如今，大量数据都是磁性存贮，快速变换材料的磁化强度是影响存储系统快速响应的关键。瑞士联邦理工学院(EPFL)的研究人员在最新一期的Nature Photonics报道了他们的研究进展。

　　PSI和EPFL的联合研究小组联合法国皮埃尔和玛丽居里大学的同事一起研究了一种新的方法探索皮秒磁化强度的可能性。太赫兹激光器的开发还要归功于瑞士工业伙伴彩虹电子公司的大力合作。

　　在实验中，极短激光脉冲照射在磁性材料上，其中磁矩平行对齐。光脉冲的磁场使闲置状态的磁矩发生偏转，使得他们精确地遵循激光磁场变化，只有轻微延迟。本实验所采用的太赫兹激光器是世界上最强大的此类激光器之一，与传统激光器输出光不同的地方在于，太赫兹光不会加热磁性样品，此外，激光器的相位稳定，使得单个脉冲中电场和磁场的精准变化被每一束激光脉冲可靠的定义。

中国太赫兹技术研发历程：

　　赫兹是电磁波谱最后的处女地，具有独特的优越性及极重要的应用，是新一代产业的科学技术基础。太赫兹科学综合了电子学与光子学的特色，是典型的交叉前沿科学领域，蕴含着原创性重大机理和方法并亟待突破，具有重大的科学意义。太赫兹科学技术也将是后摩尔时代信息技术发展的重要支撑。

　　正基于此，从上世纪90年代开始，我国开始重视太赫兹研究，国家“十二五”科学和技术发展规划、国家重大科技基础设施建设中长期规划中都对太赫兹研究进行了明确部署。

　　2005年，由20多位院士参加的第270次香山科学会议，专题研讨如何在中国发展太赫兹科学技术，标志着中国太赫兹研究战略的启动。

　　2010年4月底，陈佳洱等16位院士相会成都，谋划太赫兹科学技术发展的中国路线图。会后不久，刘盛纲等19位院士联名上书国务院领导，提出了发展我国太赫兹科学技术的若干建议并获批示。

　　2011年底，科技部启动“毫米波与太赫兹无线通信技术开发”项目，为我国太赫兹领域第一个过亿元的863计划主题项目，下设5个课题组，汇聚了国内十多所高校和研究所的优势力量。

　　2012年，国家推动实施“2011计划”，当年6月，电子科技大学联合南京大学、清华大学以及中科院电子所、光电所等国内优势力量，在成都正式成立太赫兹科学协同创新中心，开启了中国高校、研究所、企业协同创新研究太赫兹的新时代。

　　2013年，太赫兹科学协同创新中心先后受中国电子学会委托成立“太赫兹分会”，受国家自然科学基金委与中国科学院联合委托成立“太赫兹科学技术前沿发展战略研究基地”，为国家太赫兹科学发展提供战略建议咨询和顶层规划设计。由中心开创的“深圳国际先进科学技术会议——太赫兹科学技术”也被国际公认为太赫兹领域的顶尖学术会议，极大地提升了我国太赫兹国际学术地位。

　　2014年3月底，15位两院院士及近百位专家学者聚首成都，研讨太赫兹科学技术战略发展。

　　经过不懈的努力，中国力量已经在太赫兹科学技术这一“真空地带”有所建树，并将在这场世界科技竞赛中占据制高点和主动权。