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THz (太赫兹)电磁波段的物理、器件及应用研究

日期 2002-05-31   来源:   作者:  【 】   【打印】   【关闭

  THz辐射通常指的是波长在1mm~33mm区间(300GHz~10THz)的电磁辐射,其波段位于微波和红外光之间。近十几年来超快激光技术的迅速发展,极大地促进了THz辐射的机理研究、检测技术和应用技术的发展。这一曾被称为"THz空白"的电磁波段领域,近几年来取得了许多进展,成为一个引人注意的前沿领域。

  物质的THz光谱(包括发射、反射和透射)包含有丰富的物理和化学信息,如凝聚态物质的声子频率、大分子(包括蛋白质等生物分子)的振动光谱均在THz波段有很多特征峰,凝聚态物质和液体中的载流子对THz辐射也有非常灵敏的响应。研究有关物质在这一波段的光谱响应,探索其结构性质及其所揭示的新的物理内容已成为一个新的研究方向。此外,作为一种新型相干光源,THz辐射的独特性质在物理、信息、材料和生物等领域具有广阔的应用前景,如凝聚态体系中的各种超快过程探测、宽带通讯、高速光电子器件、材料表征、无标记生物芯片、医学诊断等等。由此带动的交叉研究将会有力地推动和促进这些相关学科的进一步发展。

科学目标

  对THz辐射源的机理和新型器件、THz辐射与物质的相互作用、THz辐射的探测成像及其应用,开展跨学科、多层次的综合研究。突出科学问题的原创性,促进与技术创新的结合,在THz辐射理论和实验两个方面取得标志性的成果,使我国的研究在国际上这一新兴领域占有一席之地。为各相关学科研究和THz辐射在其他高新技术领域的应用奠定理论和实验基础。

研究内容

  1. THz辐射源的机理和新型器件
    (1)超短脉冲强激光产生的THz脉冲辐射:研究TW级超强激光脉冲与半导体和非线性光学晶体的相互作用,探索超强激光场作用下载流子和介质极化的动力学过程;研究超短脉冲强激光产生THz辐射的机理,产生强THz脉冲。
    (2)半导体连续波THz辐射源:研究量子阱空穴子带简并、混合等性质,探明量子阱THz振荡器的自振荡与外加高频信号的相互耦合规律,模拟量子阱THz振荡器的各种工作模式;研究单量子阱、双量子阱和多量子阱子带间的THz发射;研究微带超晶格和量子点超晶格的负微分电导行为,模拟相干Bloch振荡器及其场畴动力学研究。
    (3)其它新THz辐射源:利用非线性差频技术产生可调谐的THz 辐射源;以自由电子和波相互作用为基础的THz辐射源,并模拟和仿照光学透镜和反射镜等光学传输谐振方式建立THz的测量系统。
  2. THz辐射与物质的相互作用研究
    (1) 大分子的THz波段光谱:发展大分子(包括溶液中的大分子)的THz光谱响应的理论分析方法和计算方法。从理论上认识大分子在THz波段的大量合作振动模占主导的THz波段的光谱结构;发展有效的测量技术和分析方法,测量和标识重要大分子在THz波段的"指纹"特征谱,建立相应的数据库。
    (2) THz电磁波在半导体材料和光学材料中的传播规律:研究THz电磁波在低维半导体中的传播规律和辐射作用下低维半导体中载流子的输运过程;研究强THz电磁场作用下光学材料和半导体材料中的非线性效应。
  3. THz辐射的探测、成像及其应用
    (1)THz波段的探测和测量:用高能隙超导材料制造超导SIS和HEB器件,研究它们在THz波段的高灵敏度超外差混频和直接检波特性;发展新的调制手段和差分测量方法,提高THz光谱测量的灵敏度、信噪比和动态范围。
    (2) THz辐射的成像:发展超衍射极限的THz辐射的扫描近场成像技术;发展THz辐射的CT成像技术。
    (3) 在其它领域的应用:利用THz电磁波段光谱的特点,研究超快过程。例如研究生物分子构型、构像快速变化动力学,高能超短脉冲电子束的时空特性,研究凝聚态和气液相物质中的超快过程;在生物、医学和信息等领域中发展各种应用技术。

研究期限:4-5年

拟资助经费:800万

  本领域由数理科学部、信息科学部联合提出,由数理科学部受理申请。

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