2017太赫茲科技發展回顧與展望

隨著2018年的即將到來，2017已離我們越來越遠。回顧發展歷程，總結經驗啟示，瞻望美好未來，謀劃創新思路，是對來年的提前布局、未雨綢繆，也是對來年太赫茲科技帶給我們更多驚喜和突破、迎來更為廣闊發展前景的期待。回首2017，太赫茲科學研究取得了哪些重要進展？太赫茲產業應用取得了哪些重要突破？展望2018，太赫茲領域發展的最新趨勢如何？面臨機遇和挑戰我們又應如何應對？在此，太赫茲研發網年終特別策劃之“2017太赫茲科技發展回顧與展望”將為您一一盤點。

    一、聚焦太赫茲領域研發進展  2017 我國學者碩果累累

    1、基于量子級聯激光器太赫茲光源生成“新記錄”超短脈沖

    奧地利維也納技術大學（TUW )和瑞士蘇黎世聯邦理工學院( ETHZ )的研究人員在激光諧振器上增加側邊吸收器，創造了跨越整八度的發射頻寬。側邊吸收器可產生超短太赫茲脈沖，脈沖寬度可少于3皮秒。這創造了采用量子級聯激光器生成太赫茲脈沖的世界新記錄。

    2、“頭發絲”上的電子波蕩器產生太赫茲輻射

    中國科學院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室徐至展、李儒新、劉建勝等提出并實現了一種微型、瞬態的波蕩器方案。利用超強超短激光與金屬絲相互作用，在產生高能電子束的同時，巧妙地利用電荷分離效應構建了微型、瞬態的電子波蕩器，并基于該全新波蕩器方案獲得了非線性放大的強THz輻射輸出。

    論文審稿人高度評價該論文描述了一種產生高能準單周期THz脈沖的新方法。這一概念令人驚嘆，是產生THz的一個重要并高效的新方法

    3、上海微系統所在寬譜太赫茲頻梳方面取得進展

    中國科學院上海微系統與信息技術研究所太赫茲固態技術重點實驗室曹俊誠、黎華領銜的研究團隊基于高效的連續波、電泵浦太赫茲量子級聯激光器（THz QCL）光源，克服THz激光器的窄帶瓶頸，在國際上首次實現勻質、寬譜THz QCL頻梳（Frequency comb），頻率連續覆蓋范圍達到330 GHz。

    4、芯片尺寸的高速太赫茲調制器提高了更快數據傳輸的可能性

    塔夫茨大學的工程師發明了一種芯片尺寸的高速調制器，在太赫茲（THz）頻率以及室溫低電壓下工作，并且不消耗直流電源。

    5、新加坡團隊開發靈活的太赫茲源

    在NUS工程學院和NUS納米科學與納米技術研究所的電氣與計算機工程系副教授楊賢碩和吳揚博士的帶領下，研究團隊開發了高性能、低功耗的太赫茲發射器，能夠以低成本批量生產，解決了該技術工業應用的關鍵挑戰之一。

    6、“太赫茲近場高通量材料物性測試系統”項目啟動

    由國家自然科學基金委組織、中國科學技術大學教授陸亞林承擔的國家重大科研儀器研制項目“太赫茲近場高通量材料物性測試系統”項目啟動會在中國科大召開。

    項目目標為研制一套全新的太赫茲近場高通量材料物性測試系統，系統將通過集成可調諧預聚束太赫茲自由電子激光與寬譜脈沖光源、探針和樣品雙掃描模式等核心技術，實現在可控溫度、矢量磁場、電場等條件下對功能材料在寬太赫茲譜段范圍的復光學常數的高空間時間分辨、高靈敏測量，并通過復光學常數與功能材料的特征物性之間的共性關聯，揭示與之直接關聯的功能材料特征物性，可以實施材料物性精密測量和快速材料篩選。儀器研制成功后有望在材料基因組工程、功能材料等方面的研究上獲得重要應用，對進一步發現新材料將起到十分重要的作用。

    7、蘇州納米所取得高靈敏度太赫茲探測器研究新進展

    中科院蘇州納米所、中科院納米器件與應用重點實驗室秦華團隊公布了能夠在液氮溫度下靈敏探測太赫茲波黑體輻射的氮化鎵基高電子遷移率晶體管探測器研究結果，首次直接驗證了天線耦合的場效應晶體管可用于非相干太赫茲波的靈敏探測。

    對非相干太赫茲波的靈敏探測的實現表明場效應晶體管太赫茲探測器將能夠在太赫茲波人體安檢、無損檢測和大氣環境檢測等主、被動成像與探測等應用中發揮作用。

    8、“變革性技術關鍵科學問題”重點專項明確12項任務：成像、太赫茲等需求明顯

    國家重點研發計劃啟動實施“變革性技術關鍵科學問題”重點專項。新型太赫茲輻射源被列入其中。

    “變革性技術關鍵科學問題”重點專項重點支持相關重要科學前沿或我國科學家取得原創突破，應用前景明確，有望產出具有變革性影響技術原型，對經濟社會發展產生重大影響的前瞻性、原創性的基礎研究和前沿交叉研究(如材料素化、碳基資源催化、超構材料、太赫茲科學技術等方向)。啟動包括面向生物醫學應用研究的新型太赫茲輻射源在內的12項左右任務。

    在《面向生物醫學應用研究的新型太赫茲輻射源》任務中，要面向太赫茲波生物效應及檢測等生物醫學應用，探索自由電子與新興材料及新型結構互作用產生太赫茲輻射的物理機制，揭示變革性太赫茲輻射的基本規律，突破傳統太赫茲輻射源的技術瓶頸，產生寬頻帶可調諧、大功率、連續波小型化和具有一定無衍射長度的相干太赫茲輻射。

    9、國家重大科研儀器研制項目“太赫茲超導陣列成像系統”結題驗收會在南京召開

    6月30日，中國科學院紫金山天文臺承擔的國家重大科研儀器研制項目（部門推薦）“太赫茲超導陣列成像系統”結題驗收會在南京召開。

    該項目是國家基金委首批立項的9項國家重大科研儀器研制項目之一。史生才項目組歷時5年時間，攻克了國際前沿的超導動態電感探測器（KID）及超導相變邊緣探測器（TES）技術，成功研制了高靈敏度850微米波段8×8像元和350微米波段1024像元超導陣列成像系統，處于國際同類探測器系統的前沿水平。項目研制過程中，項目組共申請國家發明ZL14項和軟件著作權4項，并發表了一批高水平論文。

    10、半導體所研制出面向860GHz CMOS太赫茲圖像傳感器的像素器件

    中國科學院半導體研究所超晶格國家重點實驗室高速圖像傳感及信息處理課題組副研究員劉力源等研制出面向860GHz CMOS太赫茲圖像傳感器的像素器件。

    課題組研制出一種基于標準CMOS工藝的太赫茲像素器件及其集成化低噪聲信號處理電路。器件采用了自主設計的CMOS片上天線、太赫茲波段匹配網絡和高電壓響應度晶體管結構。在常溫工作條件下，像素器件的太赫茲電壓響應率為3.3kV/W @860GHz，噪聲等效功率為106pW/Hz0.5。課題組也驗證了像素器件信號處理電路，它集成了低噪聲斬波式儀表放大器和高精度的SD-ADC，為實現單片集成高分辨率太赫茲圖像傳感器奠定了基礎。

    基于像素器件，有望進一步實現大面陣CMOS太赫茲圖像傳感器，提升我國在太赫茲成像領域的國際競爭力。

    11、首次太赫茲多路復用數據傳輸試驗將通信速率提高100倍

    來自美國布朗大學等機構的研究人員首次展示了利用太赫茲波進行多路復用數據傳輸的方法，數據傳輸速率可達50Gbps，這種高頻電磁波可以使下一代超高帶寬無線網絡通信成為可能。

    12、液態水可以產生太赫茲波

    通過用超短激光脈沖照射一層薄薄的水薄膜，由北京首都師范大學、紐約羅切斯特大學光學研究所、俄羅斯圣彼得堡國立信息技術機械與光學大學組成的聯合研究團隊已經證明，液態水可產生太赫茲 (THz) 波，這將為太赫茲波在如無線數據傳輸，工業質量控制和具有穿透能力的高分辨率成像等領域的應用提供了又一種可能。

    13、新的太赫茲成像方法可以加速皮膚癌的檢測

    英國埃克塞特大學團隊開發了一種新的太赫茲成像方法，首先可以獲得微米尺度分辨率圖像，同時保留旨在提高圖像采集速度的計算方法。這種組合可使太赫茲成像用于檢測早期皮膚癌而無需病人進行組織活檢。其用太赫茲成像的近場方法，可以達到約9微米空間分辨率，并且兼容壓縮傳感和自適應成像算法的研究，相較傳統技術，其圖像采集速度要快3倍。

    14、新型石墨烯基太赫茲吸收器誕生：未來應用前景好！

    來自意大利 CNR-Istituto Nanoscienze 和英國劍橋大學的石墨烯旗艦項目（Graphene Flagship）的研究人員使用由液相剝離法、轉移涂層沉積、噴墨印刷技術制造出的石墨烯，創造出一種太赫茲可飽和吸收器。它比迄今為止的其他設備的吸收調制要高一個數量級。

    15、太赫茲標準聯盟成立 “抱團”發展彰顯巨大潛力

    為促進產業發展，9月19日，華訊方舟科技有限公司、深圳市標準技術研究院、深圳市太赫茲科技創新研究院、深圳市一體太赫茲科技有限公司、深圳市鵬星光電科技有限公司等16家企業或單位聯合成立了太赫茲產業標準聯盟，以更高標準創品牌、樹信譽、拓市場，增強深圳太赫茲企業競爭力。聯盟成立后，形成合力，“產、學、研”有機結合，促進成員間共享及互惠互利，并爭取早日制定出行業標準，填補標準的空白。

    16、石墨烯在柔性材料上激勵高速電子

    一個太赫茲頻段（1000GHz）的靈活的探測器已被瑞典查爾莫斯理工大學研究人員使用石墨烯晶體管在塑料基板上研發出來。這是同類產品中的第一個，可以將太赫茲技術的應用延拓到需要柔性電子設備的應用，如無線傳感器網絡和可穿戴技術。

    17、液體將成為太赫茲輻射源之光

    印度塔塔基礎研究院（TIFR）得到一項重大研究突破，研究人員成功設計了一款工作在太赫茲波段的高功率輻射源。這項與希臘、法國實驗室合作的研究成果于2017年10月30日在《Nature Communications》期刊上發表。

    在實驗中，他們用中等能量的飛秒激光脈沖照射一些常見的實驗液體（如甲醇，丙酮，二氯乙烷，二硫化碳甚至水）之后，發現液體被電離后會形成一種長等離子體通道，稱為長絲。實驗測得其能量高達50微焦，千倍于絕大多數現有輻射源所釋放出的能量，是在空氣中產生的能量的10到20倍。

    18、基于納米材料的太赫茲人物同檢系統研制成功

    國家納米中心、清華大學、同方威視技術股份有限公司聯合開展攻關，成功制備了納米多層膜結構的高靈敏度、可在室溫下工作的太赫茲探測器，并在此基礎上開發了人物同檢原型樣機，該樣機技術指標達到：檢測非金屬行李厚度15cm，二維空間分辨率1cm*1cm，成像速度3.6幀/秒。

    19、太赫茲知名學者Peter H. Siegel教授做客電子科技大學銀杏講壇

    近日，受劉盛綱院士邀請，美國加州理工學院電氣工程學院教授、NASA噴氣推進實驗室高級研究員Peter H. Siegel做客第34期銀杏講壇，為電子科技大學師生帶來以太赫茲科學技術與應用為主題的精彩學術講座。講座由劉盛綱院士主持。

    劉盛綱院士對Siegel教授的到來表示熱烈歡迎，介紹了Siegel教授的研究方向和系列研究成果。Siegel教授在積極推動國際太赫茲科學技術與應用的發展方面做出了重要貢獻，任IRMMW-THz（國際紅外與毫米波－太赫茲）會議總主席，是IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology的創辦人和主編。

    講座中，Siegel教授介紹了過去45年間太赫茲領域科學研究取得的成果以及在各交叉領域的發展。作為NASA噴氣推進實驗室高級研究員，Siegel教授結合在NASA的工作經歷，介紹了他所領導的團隊在將太赫茲技術應用于航空航天領域的研究成果。此外，Siegel教授還重點闡述了太赫茲成像在醫療領域的應用。在加州理工學院，Siegel教授帶領團隊進行了太赫茲生物醫學應用研究，包括特神經元和血液化學監測等。他還介紹了太赫茲在皮膚燒傷或皮膚癌的早期診斷、口腔疾病診斷、活體DNA鑒別等領域的應用。

    20、第六屆深圳先進科學與技術國際會議隆重召開

    2017年12月4日，第六屆深圳先進科學與技術國際會議（The 6th Shenzhen International Conference on Advanced Science and Technology, SICAST 2017）在深圳隆重召開，會議主題為“太赫茲成熟科技及應用”（Maturing Technology and Applications in THz Science and Technology）。本次會議聚焦太赫茲科學技術與應用最新研究成果，研討太赫茲科學技術未來的發展方向及其在經濟社會發展中的應用前景，推動太赫茲科學事業向縱深發展。

    二、太赫茲領域突破不斷  2018更多飛躍值得期待

    2017年太赫茲領域熱點事件不止于此，上述新聞僅是2017年太赫茲科學技術成果和產業化進展的縮影。由是觀之，2017年我國太赫茲科研工作者和產業工作者在太赫茲研究及產業化實踐上獲得了很多可喜的進展和突破, 成績斐然, 一些成果舉世矚目。太赫茲研發成果得以落地，產業格局初步搭建，地區性太赫茲合作聯盟崛起，政府支持力度持續加大。

    中國的太赫茲研究從香山科學會議出發，在科技創新發展的廣闊大海中破浪前行，與國際同行攜手，推動太赫茲領域開放、合作、交流、共享，我們一直在路上。

    展望2018，太赫茲科學技術研究和產業化發展仍蘊藏無限潛力，將繼續保持較快發展勢頭。太赫茲科學技術研究和產業化進程中所蘊藏的巨大發展潛力，將得到進一步挖掘。包括太赫茲科技在內的新一代信息技術進入快速增長期。在國務院重點推進的六大領域消費中，信息消費排在首位。在“寬帶中國”戰略推動下，2016年，中國數字經濟規模總量達22.58萬億元，躍居全球第二，占GDP比重達30.3%，信息消費取得新突破。與此同時，國家也加快了在集成電路等產業的布局，通過專項規劃、產業基金、兼并重組、政策扶持等措施加快推進產業發展。這既是太赫茲科技事業快速發展的機遇也是巨大的挑戰。

    我國太赫茲科技在國防和民用領域的應用發展當前主要著重于安檢和無損檢測方向，中期則注重于無線通訊和生物醫藥方向，長期則推進太赫茲全產業鏈化和各應用方向的跨越式發展。基于此，太赫茲科技研發和產業化發展的重點應著眼于以下幾個方面：

    ① 加快突破核心技術 夯實產業技術基礎 瞄準國家重大戰略需求和未來產業發展制高點，圍繞太赫茲研發與產業化關鍵環節和重點領域，緊緊抓住產業價值鏈高端環節如高功率輻射源，高靈敏度探測器，核心芯片，太赫茲波器件，光譜系統等具有自主知識產權和核心技術的關鍵組件和系統的研發與產業化，協調各方資源協同攻關，尋求差異化突破，同步進行多領域、多學科交叉的應用市場開拓，面向市場的重大需求，催生出成熟的產業化技術，進一步夯實發展基礎。優化創新資源配置，重構產業價值鏈，強化產業鏈協同創新機制，通過投融資和資本紐帶，形成價值互聯共享，促進太赫茲技術和產業的發展能力。

    ② 優化太赫茲產業空間布局 加強產業模式創新 促進融合發展 在產業定位方面避免產業結構趨同化現象。在全局層面，引導制訂科學合理的太赫茲產業布局規劃，避免重復建設。在區域層面，體現比較優勢，充分考慮各地區位優勢、資源優勢、產業優勢和研發優勢，選擇在本地區最有基礎、最具優勢條件、最能夠取得率先突破的細分應用領域如基礎科學研究、材料無損檢測、質量檢測、安全檢查、醫學成像、室內局域無線通信、高速局域網絡通信、軍事國土安全等進行優先發展，避免產品同質化和低水平發展現象的產生。開展區域合作，以產業鏈、價值鏈為紐帶，通過上下游配套合作，共建區域性產業集聚區，打造產業特色。根據太赫茲領域不同階段的不同發展趨勢，適時推進產業模式創新，如“資本+股權”、“資源+項目”、“資產+政策”等產業模式，促進融合發展，推動太赫茲產業迅速成長擴大。

    ③ 在資本市場層面打造“政府、金融機構、社會”三位一體的金融支持體系 根據國家戰略布局要求，構建與國家重大發展戰略相適應、與區域發展戰略相契合、與戰略方向使命任務相匹配的金融資本布局。通過政府貼息或長期低息貸款，提高中長期貸款比重，設立產業投資基金、股權投資基金，支持創新能力強、發展潛力大的企業通過上市融資、發行債券，或在銀行間債券市場發行非金融企業債券等融資方式，引導多渠道資金支持太赫茲科技研究和產業發展。融資機構信貸重點向太赫茲領域傾斜。社會中介層面，加強對無形資產的評估能力，探索知識產權質押、供應鏈融資、股權質押等多元化融資模式，完善融資擔保體系。引導良性金融資本向創新型、具有良好發展前景和市場競爭能力的太赫茲研發企業更大的投入，提升對太赫茲產業和新興技術的金融支持能力。資本的密集進入必然會帶動整個領域的持續快速發展。

    ④ 優化完善配套政策體系建設 從太赫茲研究開發的實際需求出發，根據領域發展的不同特點，進一步優化完善產業發展政策、技術創新政策、要素保障政策、應用推廣政策等配套政策支持體系，建設開放包容、創新發展的生態圈，優化發展環境。加強前瞻性部署，通過國家科技重大專項等加大對前沿性、關鍵性、基礎性和共性技術的研發支持，推動企業、高校、政府等共同組建技術聯盟，以創新應用進一步開拓市場，提升整體競爭力。

    2018是“十三五”規劃承前啟后之年，也是謀劃“十四五”規劃的關鍵之年。我們相信，政府產業政策體系將進一步完善，支持方式將不斷優化，產業發展模式將適時調整，行業標準體系建設也將進一步推進，宏觀發展環境將日益完善。可以預見，太赫茲科技研究及產業化發展將迎來一波較大的發展機遇。2018，我們期待更多太赫茲科技突破的產生！

    歲末冬日的陽光顯得是那樣的燦爛，令人精神振奮，昭示著美好的開端。新年將至，辭舊迎新。在此，中國太赫茲研發網、《太赫茲科學與技術》國際在線雜志誠摯的祝福所有朋友：新年快樂，幸福安康！向您以及您身邊的每一個人，提前道一聲“新年好！”