2016太赫茲科技發展回顧與展望

一轉眼時間已經走到了2016年的年尾。回顧這一年的太赫茲科技領域，發展現狀如何？在這一年中究竟收穫了哪些成果？展望2017，我們能否找到打開太赫茲科技新發展的「金鑰匙」？中國的太赫茲科技產業能否破繭化蝶？在此，太赫茲研髮網僅就2016年見諸公開信息的太赫茲科學技術研究和開發進行梳理，以此回顧令人難忘的2016，展望充滿挑戰與機遇的2017。

再見，2016...

你好，2017...

一、回顧篇

回眸2016年的太赫茲科技領域，我們可以用「精彩紛呈」這四個字來形容這一年裡太赫茲領域所發生的諸多事件：研發取得突破，成果填補空白，產業不斷布局等等等等，這一年的太赫茲領域給了我們太多的驚喜。與此同時，如何進一步加快技術研究步伐，解決太赫茲技術難點重點，如何在推進太赫茲技術標準化方面取得更多成果，從而落實我們國家可持續發展的總體戰略，促進太赫茲科學技術穩步發展，爭取太赫茲領域國際領先地位，既是太赫茲科技工作所面臨的重大挑戰，也是太赫茲科技工作者所面臨的重大機遇。

1、加州大學洛杉磯分校研發首個太赫茲VCSEL激光器

加州大學洛杉磯分校（UCLA）電子工程系副教授本傑明?威廉姆斯帶領的團隊（包括諾斯羅普?格魯曼公司航空航天系統的工程師），藉助於UCLA的納米電子研究設施，成功研發了第一個太赫茲垂直腔表面發射激光器（VCSEL）。提供了一條在太赫茲波段輸出高功率、高質量光束的新途徑。

2、媲美光纖的太赫茲無線技術

廣島大學，國家信息及通信技術研究所和松下公司宣布了頻率大約在300 GHz通過多路通道以每通道每秒10吉比特數據傳輸率傳輸信號的太赫茲發射機的研發進展。該發射機通過硅CMOS集成電路來實現，這將具有極大的商業和消費需求優勢。這一技術可能為無線通信開啟全新的領域，它的數據傳輸速率是當前技術允許的10倍。

3、美國研發出可在室溫工作的緊湊太赫茲輻射源

西北大學的Manijeh Razeghi和她的同事們開發出一種新的太赫茲輻射源。這種小型的、可在室溫工作的器件，可基於強耦合應變平衡量子級聯激光器設計，在腔內產生不同頻率，從而在較寬的頻率範圍（1到5?THz）發出輻射。該發射器發射單模太赫茲輻射時，輸出功率高達14?μW。該器件具有在安全距離內檢測爆炸物、化學藥劑和危險生物物質的能力，可以使公共場所更安全。

4、蘇州納米所研製成室溫高靈敏度太赫茲探測器單像元模塊和焦平面成像器件

中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所成功開發室溫工作的高靈敏度單像元探測器模塊和太赫茲焦平面成像器件，為進一步發展面向太赫茲成像和通信等應用的核心器件研製提供了關鍵技術支撐。目前課題組已成功研製出單像元、線陣列和焦平面太赫茲成像模組。

5、國外太赫茲無損檢測技術已趨成熟

來自德國弗勞恩霍夫海因里希赫茲研究院的研究人員成功研製出一種非常緊湊、簡單的新型太赫茲感測器探頭。他們製造了一個能夠同時發射和接收信號的集成晶元，這使得操作距離可以更加靈活。他們將太赫茲輻射中的發射器和接收器「打包」成一個收發器，並置於一個直徑只有25毫米，長度只有35毫米的簡易感測器探頭內部。其成本也因此變得更低，裝置操作也變得更加容易。他們設計的第一種感測器探頭原型已經被用於在塑料管的生產線上檢測管壁的厚度。此外，這種裝置還非常適用於分析纖維複合材料上的塗層等。

6、3D列印太赫茲鏡頭能發現隱藏的塑料和化學物品

來自美國西北大學的機械工程助理教授孫成和他的團隊使用新型超材料和3D列印技術開發出了一種可以使用太赫茲頻率工作的新型鏡頭。與常見的鏡頭相比，它不僅具有較好的成像能力，在安全方面特別有用，而且更便宜、解析度更高，適用範圍更廣。

7、航天科工研製毫米波太赫茲波放大器核心部件 填補國內空白

中國航天科工二院207所成功研製出毫米波和太赫茲波W波段放大器核心部件——螺旋波導，這在國內尚屬首次。經試驗測試，該螺旋波導各項性能指標均達到放大器的設計需求和預期，可實現信號的1000倍功率放大。該產品的研製成功標誌著我國在大功率太赫茲器件研製路上的突破，為發展高功率毫米波與太赫茲波輻射源技術、太赫茲技術的工程應用打下了堅實基礎。

8、中科院重慶綠色智能技術研究院在高性能太赫茲偏振器件研究方面取得進展

中國科學院重慶綠色智能技術研究院太赫茲技術研究中心研究團隊在高性能太赫茲偏振器件研究方面取得進展。該團隊以典型的太赫茲偏振片為研究對象，提出了一種基於多層亞波長金屬光柵結構的以聚醯亞胺薄膜為襯底的太赫茲偏振器件，利用多層亞波長金屬光柵的耦合作用使太赫茲偏振片具有較高的偏振消光比，以及自主研發的聚醯亞胺薄膜對太赫茲的低反射、低吸收特性使器件具有較低的傳輸損耗，有效解決了太赫茲偏振器件偏振消光比與傳輸損耗難兼得的矛盾。該研究由於採用成熟的光刻工藝，以平整硬質矽片為支撐，易於獲得大面積結構均一、性能穩定的太赫茲偏振器件。同時，所建立的工藝可拓展至其他太赫茲器件，為實用化太赫茲器件的研發提供了一種新的實現方法。

9、預聚束太赫茲自由電子激光技術原理與設計研究取得進展

國家同步輻射實驗室「先進THz技術課題組」 圍繞「緊湊型THz電子輻射源」這一主題，開展理論研究及關鍵技術發展，取得了系列研究進展。將為未來的自由電子激光器大型科學裝置提供關鍵原理和技術儲備。

在連續波THz輻射方面，該課題組利用其發現的特異Smith-Purcell效應，提高電子束與輻射之間的能量轉換效率，進而提出了一種可基於成熟電子源技術來產生W量級輻射功率、頻率可到1.5 THz的奧羅管輻射源方案。

為得到更高功率的連續波THz輻射源，該課題組提出一種THz尾場輻射自由電子激光諧波產生技術，可基於技術成熟的、可移動的高壓直流電子槍產生kW量級的THz輻射源。

在輻射頻率可連續調諧的THz源方面，該課題組在其掌握的激光脈衝堆積技術及高品質電子脈衝串產生技術的基礎上，通過採用高次諧波增強技術提出了一種緊湊型（全長3米左右）、高功率（MW級脈衝功率）、頻率大範圍連續可調諧（0.5-5.0 THz）的預聚束THz自由電子激光輻射源方案。

為克服基於微波電子槍的輻射源在產生低頻率（0.5 THz以下）、高重複頻率、小型化光源方面的限制，該課題組採用激光脈衝串激發光陰極直流電子槍產生非相對論性電子脈衝串，通過調節電子脈衝重複頻率、選擇性激發慢波結構的不同高階模式，並利用非相對論電子束速度可調的特性，提出一種輻射頻率0.1-1.0 THz可調的小型化、高重複頻率輻射源。

10、產生太赫茲輻射的超快方法促進了材料科學

烏普薩拉大學的研究人員與來自德國、法國和美國的研究人員合作，開發出一種新型太赫茲激光發射器，該設備比迄今為止的同類設備的性能都要好。該太赫茲激光發射器建立在烏普薩拉物理學家提出的超高速自旋傳輸原理的基礎上。

和目前的源相比，這種脈衝非常短，具有更高的強度以及覆蓋更寬的太赫茲頻率範圍。這一研究對材料研究非常重要。

11、中國電科首次完成全固態太赫茲成像雷達系統樣機研製

中國電科順利完成全固態太赫茲成像雷達系統樣機的研製。這是中國電科首部全固態太赫茲成像雷達系統樣機，目前已經達到國內一流，國際先進水平。

該太赫茲成像雷達系統由中國電科14所智能感知技術重點實驗室研製，在集團公司創新基金支持下，在中國電科12所、13所、55所，以及電子科技大學的鼎力協助下，經過僅兩年多的不懈努力獲得此成果，完成了太赫茲寬頻一維距離像和ISAR成像試驗，獲得集團首幅ISAR圖像，成像解析度、成像副瓣電平等指標均達到預期效果，取得階段性重大研究進展與成果。

12、利用太赫茲光譜快速檢測致病菌

第三軍醫大學西南醫院綜合實驗研究中心主任羅陽教授與檢驗科主任府偉靈教授及其團隊在歷時4年研究後，成功利用太赫茲光譜首次實現了多種臨床致病菌的快速檢測，其檢測時間只需要10秒左右，這意味著太赫茲光譜將有望首次在臨床醫學上運用，具有劃時代意義。

13、利用多層石墨烯錐形結構增強太赫茲波的納米聚焦的研究

武漢光電國家實驗室超快光學研究團隊陸培祥教授、「青年千人」王兵教授和博士生劉為為等人設計了一種基於多層石墨烯(多個石墨烯單層由介質隔開)錐形結構來增強THz波的納米聚焦，每層石墨烯SPP之間的相互耦合使得THz光場能夠被極大壓縮並限制在納米錐的尖端。研究結果表明，3層石墨烯錐可以使波長為50微米的THz波電場強度增強約620倍，明顯優於單層石墨烯錐的增強效果(240倍)，通過調節石墨烯化學勢和入射THz波長，其電場強度可進一步增強達1800倍。此外，多層石墨烯錐對光場的限制能力也大大增強，在錐尖光場可以被壓縮至入射波長的1/2800，比類似金屬/介質結構至少提高了一個數量級。這一研究結果對於實現高強度和納米尺度的THz光源提出了一種新的實現方式，為THz波在非線性光學和納米光學等領域的應用奠定了理論和實驗基礎。

14、上海交大科研團隊基於相對論激光等離子體的強太赫茲輻射源研究取得突破

上海交通大學物理與天文系激光等離子體實驗室張傑院士、盛政明教授等人與中國科學院物理研究所光物理重點實驗室李玉同研究員組成的研究團隊基於相對論激光等離子體的強太赫茲輻射源研究獲重要進展。

該團隊廖國前、遠曉輝等人利用上海交通大學激光等離子體教育部實驗室200TW激光裝置，將研究範圍拓展到在固體靶後的太赫茲輻射產生。在相對論飛秒激光與固體薄膜靶作用中，在靶後產生了單發能量近400微焦的太赫茲脈衝，這已與大型加速器產生的太赫茲脈衝能量相當。太赫茲輻射產生的物理圖像為：相對論激光與等離子體相互作用產生了大量前向超熱電子，這些電子從靶後表面逃逸到真空中時，會激發渡越輻射。由於電子束的脈衝時長為幾十飛秒到皮秒量級，所以相干輻射波長在太赫茲波段。實驗研究了小尺寸金屬靶、金屬-聚乙烯(PE)複合靶、聚乙烯靶等不同靶型的渡越輻射，實驗結果完全驗證了這一產生機制。實驗中還同時觀測了靶後鞘層場加速產生的離子束特性，發現離子束與太赫茲輻射呈現非同步的變化規律，這表明在該實驗條件下，太赫茲輻射與離子加速的產生機制並不一樣，這與目前國際主流的認識不同。該團隊提出的產生機制和實驗演示不僅為實現小型化、大能量、寬譜太赫茲輻射源開闢了新途徑，而且有望發展成為一種在線診斷激光等離子體相互作用的新方法。

15、基於QCL系統, 瞬間實現太赫茲光譜探測

美國麻省理工大學電子研究試驗室的研究人員研發了一種基於量子級聯激光器(QCL)的新型太赫茲光譜探測系統作為太赫茲輻射光源，其尺寸僅為計算機晶元大小。作為光譜儀，該系統緊湊小巧，能在100μs內生成物質的光譜信號，如應用於爆炸物的探測，就具有速度快、成本低、易攜帶的特點。該系統的高效性還體現在其發射出的太赫茲輻射位於「頻率梳」內，頻率梳就是一系列均勻分布、高效有用的頻率。研究人員表示，這一設計是一項重大突破。

16、西安理工大學施衛教授團隊在超快光電技術領域的研究取得進展

西安理工大學理學院施衛教授團隊在超快光電技術領域的研究取得進展。該研究工作在國際上首次發現：利用弱光（1.6μJ、脈寬25.7ns）觸發GaAs光電導開關（GaAs PCSS），可以實現幅值9kV、脈寬7.3ns的超快電脈衝輸出，其電脈衝比觸發光脈衝還要快，突破了觸發激光脈衝參數對GaAs PCSS超快輸出特性的約束，特別是這一結果直接驗證了之前提出的光激發電荷疇猝滅模式的理論。同時，該成果為所承擔的國家自然科學基金重大儀器研製專項（61427814）的順利實施奠定了理論和實驗基礎，有望在國際上首次實現具有雪崩倍增機制的光電導太赫茲輻射源。

17、中國電科完成首幅太赫茲SAR圖像

中國電科14所智能感知技術重點實驗室太赫茲SAR成像試驗取得成功，完成中國電科首幅太赫茲SAR圖像，這標誌著實驗室在太赫茲雷達系統與太赫茲成像演算法方面取得了重要突破，為太赫茲雷達裝備後續研製與應用奠定了重要基礎與技術儲備。

18、蕪湖太赫茲科學城暨工程中心開工建設

9月29日，蕪湖太赫茲科學城暨工程中心項目開工，標誌著蕪湖太赫茲產業項目正式啟動，這是蕪湖實施領跑計劃在微電子領域取得的重大突破。安徽省8月份公布的全省首批3個重大工程，蕪湖太赫茲晶元工程入選。蕪湖太赫茲晶元製造及產業化項目將力爭「十三五」末產值突破千億元。

19、重慶率先將太赫茲技術應用於複合材料無損檢測

中國科學院重慶綠色智能技術研究院太赫茲技術研究中心在國內率先將太赫茲技術應用於複合材料無損檢測，目前已在重慶國際複合材料有限公司、重慶市纖維檢驗局等4家單位實現了示範應用。除了應用於複合材料，他們還與重慶墨希科技有限公司合作，在國內首次將太赫茲技術應用於石墨烯薄膜材料電導特性的檢測，實現對大面積石墨烯薄膜材料的質量監控，推動石墨烯的應用和產品開發。

20、中國獲得了首幅太赫茲波段外場SAR圖像

中國航天科工集團二院23所近日開展外場試驗,獲得了國內首幅太赫茲波段外場SAR(合成孔徑雷達)圖像,主要技術指標和成像演算法得到了試驗驗證。該系統的成功研製標誌著太赫茲波段雷達成像關鍵技術取得突破性成果,為太赫茲雷達工程應用奠定了技術基礎。

21、首個可彎曲太赫茲掃描儀問世

日本東京工業大學川野由紀夫(音譯)和同事利用碳納米管研發出首個可移動、可彎曲、可穿戴的太赫茲掃描儀,能對包括人體在內的三維捲曲物體進行成像檢測。川野和同事利用碳納米管薄膜設計研製出的首個可彎曲太赫茲成像裝置,能在室溫下探測到頻率在0.14到39太赫茲範圍內的所有射線,並且可包裹起來方便攜帶。新太赫茲掃描儀可用在工業企業中對非平面產品如塑料瓶和藥品進行快速和多角度檢測。

22、馬可尼激發萊斯大學研製1THz無線通信系統

萊斯（Rice）大學的無線研究人員製造了第一個能夠傳輸每秒1 terabit數據的無激光無線系統。萊斯（Rice）大學工程研究人員Babakhani的實驗室在今年早些時候創下了一項世界紀錄，他們發射了最短的1.9皮秒的無線電脈衝，將開發和製造一個餐盤大小的發射機，可在高頻率範圍從100 GHz到幾個THz發送甚至更短的脈衝。

23、我國高精度大口徑極化柵網研製成功

中國航天科工集團二院203所成功研製出國際上首台真空環境全極化輻射計定標源，隨之攻克了極化柵網纏繞技術，研製出國內首批高精度大口徑極化柵網及首套全自動柵網纏繞系統。作為全極化輻射計定標源中的核心部件，極化柵網是毫米波太赫茲准光鏈路中的關鍵基礎器件。

24、新疆「太赫茲谷」建設拉開序幕

11月23日，烏魯木齊高新區（新市區）與中國電子科技集團公司第三十八所簽約，拉開了新疆「太赫茲谷」的建設序幕。雙方簽約的項目不僅填補了新疆太赫茲領域的行業空白，還有望大力提升新疆安檢安防產業和反恐維穩事業的水平。項目總投資額約4億元，產業可輻射全國乃至中西南亞，項目擬實現國內太赫茲行業由研發向產業化方向重要轉變。

25、量子點為小型化太赫茲設備提供了新平台

來自俄羅斯和英國的科學家們開發了一種天線，可以顯著降低太赫茲輻射源的體積到一個指尖的大小。該天線是一個與量子點相結合的半導體層的「三明治」結構，提供了一種新型的通用系統，能夠實現太赫茲輻射的發射和接收兩種功能。這種緊湊型的設備，工作在太赫茲範圍內，在醫學和生物學的腫瘤可視化以及在航空航天工業上的高速通信系統中都將有所應用。

26、同軸雙電子注太赫茲迴旋管的研究進展

電子科技大學太赫茲中心研製出工作頻率0.11THz/0.22THz、輸出功率20kW的雙頻工作同軸雙電子注迴旋管，原創性的提出了一種基於准光技術和頻率選擇表面的、能有效分離雙頻工作迴旋管中兩個不同頻率電磁波功率的方法，並進行了實驗驗證。和美國麻省理工學院Temkin教授團隊合作開展了用於增強核磁共振的連續波太赫茲迴旋管研究。

27、電子學與光子學相結合產生電磁輻射的研究進展

電子科技大學太赫茲中心在電子學與光子學相結合產生電磁輻射的研究中，發現在圓柱雙層石墨烯波導結構中，利用雙層石墨烯的相互耦合打破了表面等離子體激元傳輸局域性和傳播長度不能並重的局限性，實現了表面等離子體激元波導的高度局域性和長距離傳輸；研究了電子注激勵等離子體激元（SPPs）的新方法，解決了電子注激勵時需靠近金屬表面等問題，同時使得被激勵SPPs衰減時間增長，場幅值增大。同時，在實驗方面，電子科技大學劉盛綱院士團隊與北京大學陳佳洱院士團隊、中科院成都光電所羅先剛研究員團隊協同合作，首次驗證了自由電子激發表面等離子體產生切倫科夫輻射這一物理原理，該原理有望產生從太赫茲直至紫外的電磁輻射。

28、劉盛綱院士榮獲紅外毫米波-太赫茲領域國際最高獎

9月28日，在哥本哈根召開的第41屆「國際紅外毫米波-太赫茲會議（IRMMW-THz）」上，中國科學院院士、電子科技大學劉盛綱教授榮獲由國際紅外毫米波太赫茲學會頒發的該領域最高獎—— 「傑出貢獻獎」，以表彰其在本領域的傑出成就和突出貢獻。劉盛綱院士此次獲獎，是迄今為止國際上獲得該獎的第三人、華人第一人。

二、展望篇

在對2016年太赫茲科技進行盤點之後，面對全新的2017年，我們可以有哪些新的期待呢？也許首先我們要期待的是太赫茲科技即將迎來一個真正充滿爆發力的時代。再將視角縮小到每一位太赫茲科技工作者和關心太赫茲科學事業發展的每一個人身上，2017年及之後的太赫茲科技領域將會有哪些新的變革？又會有哪些新的技術難點重點被突破被攻克？這些應是我們更為關心和期待的。且讓我們提前挖掘未來幾年太赫茲科技的新看點。

展望一：構建具有國際競爭力的太赫茲技術優勢

放眼全球，太赫茲技術已成為當今新一代信息技術領域的重點戰略目標。今年八月國務院發布了《「十三五」國家科技創新規劃》，太赫茲通信技術研發及應用和相應的硅基太赫茲技術研究作為重點發展和突破的技術之一被列入其中。尤其太赫茲單片集成電路技術的研發，將打開一系列革命性的大門，包括高解析度安全成像、更好的防撞雷達、大容量通信網路和高靈敏光譜檢測危險化學品和爆炸物等技術。這對於帶動我國太赫茲基礎科學研究及其技術應用研究，打造太赫茲科技核心競爭力有著十分重要的意義。

通過制定太赫茲應用研發國家層面上的規劃和加快戰略布局，中央與政府謀劃，部門與地方重視，機制與創新搭台，科研與產業唱戲，我們可以預期，未來幾年必將構建起具有國際競爭力的中國太赫茲技術優勢，從而提升我國太赫茲科技的國際引導力。

展望二：太赫茲產業聯盟崛起 技術研發和產業布局協同發展

隨著太赫茲科學研究的不斷深入，如何讓先進的科研成果儘快走出「深閨」，轉化為現實的生產力，將成為太赫茲科技工作亟待解決的問題。

進入2017年，隨著國家戰略規劃布局的展開，如何在國家層面的政策指導下達成技術共識，加快提升太赫茲技術研發成果的轉化速度，打通全產業上下游鏈，提升整個太赫茲產業鏈的競爭力，是太赫茲領域所共同面臨的問題與共性需求。各方均迫切需要有一個權威的跨界平台，將產、學、研、資聚合起來，共同解決領域內所面臨的技術、產品、市場、標準、資本等問題。在此背景下，我們同樣可以預期，太赫茲產業聯盟將會適時應運而生。成立太赫茲產業聯盟，將會為研究機構、上下游企業、資本等各方建立起一座溝通的橋樑，協調基礎研究、應用研究和產品研究之間的關係和快速轉換，這不僅為太赫茲研發成果在國內乃至國際的有效推廣奠定產業基礎，更可以加快我國太赫茲技術產業化進程，從結構上解決產業鏈上下游的資源調配整合，從而將包括組件、系統、應用等在內的整個系統同步推進，進而實現技術研發和產業布局的協同發展。

展望三：太赫茲技術重難點研究突破更趨清晰化

根據國家的戰略規劃布局，對在室溫下連續工作的高功率太赫茲輻射源、高靈敏度太赫茲波探測器及開發調控太赫茲波的器件（包括調製器/濾波器/波導/交叉開關）等關鍵組件進行研究，研製高性能太赫茲固態器件，解決太赫茲信號的調製和處理技術，研發更高頻率的太赫茲集成電路等將成為我國下一步太赫茲科研工作的重中之重。

通過太赫茲科學協同創新中心這一重要平台，整合優勢資源，積極開展相關專項和上述重難點技術課題的前瞻性聯合研究與開發，持續加強與國際發達國家開展太赫茲科技研發工作的經驗交流與合作，助推包含自主知識產權的相關技術標準的創製並納入國際標準體系。基於此，我們有理由相信：我國太赫茲科技領域勢必產生出更多具有自主知識產權和自有核心技術的世界一流成果和產品。

展望未來，我們任重而道遠。2017年，太赫茲科技的發展將踏上另一個新的征程。我們期待太赫茲科研工作者和產業工作者繼續保持激情與夢想，志存高遠、開拓創新、追求卓越，共同書寫太赫茲領域的新篇章，共同見證太赫茲領域的新變革，共同推進太赫茲領域的新發展! 我們堅信：太赫茲科技「兩岸猿聲啼不住，輕舟已過萬重山」的美好未來也將殊為可期。

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