·前沿科技·太赫兹寻觅电磁波技术“蓝海”
中国电科41所副总工程师姜万顺正在研发太赫兹技术。 李希顺 摄
本报记者 丰静
在刚刚过去的8月，中国电子科技集团第41研究所太赫兹技术研发团队度过了非常忙碌的阶段。 “我们研发的0.75太赫兹系列化测试仪器的核心关键技术已实现突破，预计年底即可实现样品的量化生产。 ”中国电科41所副总工程师姜万顺表示，目前全球仅有3家公司可生产该系列仪器。
“真空地带”引发科研热
姜万顺带领团队所研究的太赫兹技术，在光学领域有一个近年来为大众所熟知的名字——远红外线。 2004年，美国政府将太赫兹技术评为 “改变未来世界的十大技术”之一；2005年，日本更是将其列为“国家支柱十大重点战略目标”之首，举全国之力进行研发。太赫兹，因此成为本世纪最为重要的新兴学科之一。
早在上世纪90年代之前，相对于国内外对微波和红外线的研究热潮，太赫兹仿佛是被人遗忘的“真空地带”。原来，严谨地表示，太赫兹是频率在0.1太赫兹～10太赫兹波段内的电磁波，对应的波长辐射在该频带范围从0.03毫米到3毫米，频谱位于微波和红外之间。
“由于太赫兹处于特殊的频谱位置，太赫兹信号发生、检测，无论从微波的方式向上扩展，还是从光学的方式向下扩展都是困难重重，因此太赫兹技术被提出100多年后依然发展缓慢，对其认识和应用非常匮乏，因而被‘遗忘\’。”中国电科41所邓建钦博士向记者介绍道。
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。 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，标志着我国太赫兹研究战略的启动。
安徽省相关科研院所也纷纷行动。“2000年左右，41所以测试为基础，针对太赫兹技术展开了全面的技术研究。 ”姜万顺表示。中国电科38所早在“十五”期间就开始调研跟踪太赫兹技术的最新前沿进展，并在“十一五”期间开展一系列太赫兹方面的课题研究，成为国内最早对太赫兹技术在安检、安防领域进行探索的单位之一。2013年，芜湖华东光电技术研究所的太赫兹器件研究与应用国际联合研究中心，被科技部认定为国家级国际科技合作基地。今年4月，该中心举办“2016年度太赫兹国际前沿技术研讨会”，邀请国内外30多名专家交流国际太赫兹技术最新成果。
自主创新抢占“制高点”
不同于微波毫米波和红外线领域，在太赫兹方面，我国与国外差距较小。伴随着材料学、半导体技术的发展，国内逐渐拥有了研究太赫兹技术的基础条件，科研人员也克服了重重困难。
缺少探测器和发射源，是制约太赫兹技术发展的瓶颈。 “装备发展，测试先行”，中国电科41所作为国内唯一做太赫兹测试、测量仪器的研究所，他们聚焦研究领域前沿问题，着力解决赫兹电磁信号的发生技术、太赫兹电磁信号的频率和功率检测技术，以及以此为基础的大动态网络参数测试技术。
基于多年来在微波测试领域积累的技术，41所由微波端向上拓展的方式，进入太赫兹领域。频率越高，波长越短，对电子器件的工艺要求越高。二极管和电路设计加工成为制约研究进一步推进的瓶颈。 “以前，我们所用的二极管都是从美国公司进口，自从我们开始研发太赫兹测试设备之后，美国公司就停止提供二极管，因此在器件上受到很大限制。 ”姜万顺介绍。
为了解决这一难题，中国电科41所与中国电科13所合作，13所负责研发二极管，41所负责电路设计及加工，目前已实现核心器件国产化、器件建模、微纳米加工制造等10余项先进技术，申请国家发明专利50多项。 2013年，中国电科41所生产出频率至0.17太赫兹的系列化测试仪器，2014年做到了0.325太赫兹，2015年首次在国内实现频率至0.5太赫兹的信号发生器、频谱分析仪、矢量网络分析仪、功率计和天线等产品，性能指标全面达到国际领先水平，并实现批量化生产，解决了国内太赫兹测试问题。
2010年，中国电科38所在合肥市高新区专门成立微波光子学研究中心和合肥市太赫兹安检工程技术研究中心，建立起一个软硬件设施完善的太赫兹研发平台，通过引进海外高层次人才，组建了一支有经验的高水平太赫兹安检技术研究开发队伍，并自筹上千万元资金，展开对太赫兹安检、安防设备3年多的技术攻关。 “经过10多年的积累，我国已经在太赫兹技术基础理论、基础工艺、基础测试、核心前端、工程应用等方面有了长足的发展。 ”姜万顺表示，“依靠自主创新，我们正一步一步实现中国人自己的‘太赫兹\’梦。 ”
新兴产业瞄准“千亿元”
科幻小说、电影中，时常出现“穿墙术”“透视眼”等高科技，“气功大师”们练就的气功发热治病等技能也风靡民间。通过太赫兹技术的研发，这些功能完全可以实现。
科学家们念念不忘太赫兹，正是因为太赫兹射线展现出的诸多优越特性：包括能量低、对许多生物大分子表现出很强的吸收和谐振、能够以很小的衰减穿透物质、信噪比很高、带宽宽等，可以应用于国防、安全、天文、医疗、科研等诸多领域，具有巨大的市场价值。其中，在军事领域，太赫兹技术可有效对抗背景杂波干扰，实现远距离三维或多超光谱成像、穿透墙壁等障碍物进行探测和识别、防区外生化战剂和爆炸物的探测以及全天候隐蔽通信。由于太赫兹能直接“看到”DNA等生物大分子，辐射远低于伽马射线，因此对检测癌细胞、预防癌症具有重要意义。此外，太赫兹技术在食品安全检测方面，也发挥着巨大作用。比如，利用太赫兹波对“地沟油”检测后得到的振动频率，与检测植物油得到的振动频率明显不同，从而查检出“地沟油”。
中国电科41所在研发测试技术的同时，开发了系列太赫兹成像前端。2014年5月，38所太赫兹研究团队在北京第九届国际国防电子展上正式发布国内首台新一代可视化太赫兹安检仪——博微太赫兹人体安检仪，样机主要性能指标达到国内领先，国际先进水平，引起广泛关注。在一台银行取款机大小的机器前，人们只需2秒钟，便可完成检测成像。安检仪不仅可以探测金属物质，还可以让陶瓷、粉末、液体、胶体等人身上携带的非金属物质无处遁形，受检人员无须脱衣既保护了公民隐私，又大大提高了对违禁品的管控力度，弥补了传统的安检漏洞。
“随着国内外反恐和安全产业需求增长，安检设备市场规模将迎来大幅增长。 ”中国电科41所太赫兹研发团队负责人表示，太赫兹安检仪只是沧海一粟，一个千亿元级别的太赫兹新产业正在徐徐展开。
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