中科院院士劉盛綱：執(zhí)著的“太赫茲”先驅(qū)

2016-12-25 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

2016年9月27日,丹麥哥本哈根第41屆國際紅外毫米波-太赫茲會(huì)議(IRMMW-THz)上傳來陣陣掌聲,國際紅外毫米波太赫茲學(xué)會(huì)將該領(lǐng)域的最高獎(jiǎng)——特別貢獻(xiàn)獎(jiǎng)授予了中科院院士、電子科技大學(xué)前校長劉盛綱,以表彰其在本領(lǐng)域的杰出成就。該獎(jiǎng)要求獲獎(jiǎng)?wù)弑仨毇@過K.J.Button獎(jiǎng)、主持過該會(huì)議并是該會(huì)國際組織委員會(huì)成員(IOC member)。而劉盛綱則是迄今為止國際上獲得該獎(jiǎng)的第三人、中國第一人。

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老驥伏櫪,推動(dòng)我國“太赫茲”研究發(fā)展

太赫茲波(Terahertz, THz)是頻率在0.1THz-10THz (1THz=1012Hz)范圍內(nèi)的電磁波,處于宏觀電子學(xué)與微觀光子學(xué)的過渡區(qū)域,是電磁波譜中唯一待全面開發(fā)的頻譜資源,已成為發(fā)達(dá)國家爭先搶占的核心頻譜資源和科學(xué)制高點(diǎn)。

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2016年9月29日,是電子科大這所“年輕”高校的60歲生日,而這也是83歲的劉盛綱院士放棄國外發(fā)展機(jī)會(huì)、在電子科大學(xué)習(xí)和工作的第60個(gè)年頭。作為一名科學(xué)工作者,劉盛綱不但是我國最早開展自由電子激光研究、高功率微波研究的科學(xué)家和國際電磁場與生物細(xì)胞非熱相互作用研討會(huì)的發(fā)起人之一。他不擔(dān)任校長后,仍繼續(xù)努力,致力于我國太赫茲研究領(lǐng)域的發(fā)展。

從1990年開始關(guān)注太赫茲,到2005年作為會(huì)議執(zhí)行主席召開以“太赫茲科學(xué)技術(shù)的新發(fā)展”為主題的第270次香山科學(xué)會(huì)議,從2007年促成太赫茲重要輻射源相關(guān)“973”項(xiàng)目立項(xiàng),到2011年電子科大第一個(gè)上億元、由該校李少謙教授主持的“863計(jì)劃”主題項(xiàng)目“毫米波與太赫茲無限通信技術(shù)開發(fā)”正式啟動(dòng),劉盛綱奔走呼吁二十多年,艱難推動(dòng)我國太赫茲研究向縱深發(fā)展。

“在太赫茲研究領(lǐng)域,我們并沒有比歐美落后。我在1980年成為中科院學(xué)部委員,在電子科大做過15年的校長,能繼續(xù)為國家做出貢獻(xiàn)是我最大的心愿?！?劉盛綱在接受《中國科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)說。

原始創(chuàng)新的力量

一直以來,太赫茲輻射源都是制約其學(xué)科發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸問題。由于太赫茲的量子能量很小(1THz≈4.1mev),國際學(xué)術(shù)界一直未發(fā)現(xiàn)任何能級(jí)差在“毫電子伏”的物質(zhì)(氣體除外)。因此,利用能級(jí)間躍遷的激光原理不可能產(chǎn)生,科學(xué)家們就提出利用次能級(jí),即量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)來解決這一問題。然而,數(shù)十年來,美國哈佛大學(xué)、MIT及歐洲的科學(xué)家們盡了很大努力,在10K的低溫下使4THz功率達(dá)到了毫瓦級(jí),這被認(rèn)為是QCL所能達(dá)到的極限。

“經(jīng)過長期的努力發(fā)現(xiàn),僅僅依靠電子學(xué)或僅僅依靠光子學(xué)都難于解決太赫茲間隙(THz gap)的問題。經(jīng)過非常仔細(xì)的思考,我們提出可以將二者結(jié)合起來研究。”劉盛綱說。

2012年10月10日,劉盛綱院士團(tuán)隊(duì)刊發(fā)在《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)上的一篇文章在國際上引起了很大反響。劉盛綱團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn),利用物質(zhì)的表面等離子體激元(SPPs)可以實(shí)現(xiàn)把電子學(xué)和光子學(xué)結(jié)合起來產(chǎn)生電磁輻射的新機(jī)理。利用銀、金等貴金屬薄膜產(chǎn)生的輻射成功覆蓋了從紅外直到紫外線的波段。

對(duì)這一重要成果,《自然—物理學(xué)》在其專欄上刊出評(píng)述文章,指出該研究“揭示了一種全新的切倫科夫輻射現(xiàn)象”,“這是一個(gè)十分令人驚訝的成果,這種物理現(xiàn)象對(duì)于發(fā)展輻射源、探測器十分重要”。國際著名科學(xué)家、德國洪堡大學(xué)的理學(xué)院院長Michael von Ortenberg教授評(píng)價(jià)道:“這是震動(dòng)本領(lǐng)域的具有革命性意義的原創(chuàng)性成果?！?

2014年,劉盛綱院士團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用二維材料石墨烯的表面等離子體波產(chǎn)生輻射,得到了覆蓋整個(gè)太赫茲頻段的輻射源,該文章在美國《應(yīng)用物理快報(bào)》(Applied Physics Letters)發(fā)表。本文及后續(xù)的文章發(fā)表后,本領(lǐng)域?qū)＜艺J(rèn)為這種可以覆蓋太赫茲間隙的原理和方法,已經(jīng)被理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證確定。根據(jù)這個(gè)原理,相干的、可調(diào)諧的功率密度高達(dá)105W/m2以上的太赫茲輻射源的科學(xué)問題已經(jīng)解決。目前,劉盛綱院士團(tuán)隊(duì)正探索利用其他的二維材料,如wyel二維材料等產(chǎn)生增強(qiáng)的相干的電磁輻射。

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呼吁國家加強(qiáng)“太赫茲”投入

如果說謙和、矍鑠是劉盛綱給記者的第一印象,那么炙熱的愛國情懷、對(duì)科學(xué)的執(zhí)著和眼神中帶著的堅(jiān)毅,則是他令記者被深深感染的又一種精神力量。

“日本已決定將在2020年東京奧運(yùn)會(huì)上全面使用太赫茲無線通信。因此,加大我國對(duì)太赫茲的科研和應(yīng)用投入,已經(jīng)刻不容緩?！眲⑹⒕V略顯擔(dān)憂的說。

國際通訊聯(lián)盟已經(jīng)指定下一代地面無線通信的頻段為0.12THz-0.22THz,太赫茲技術(shù)將成為6G或7G通訊的基礎(chǔ),人類將全面進(jìn)入太赫茲通信時(shí)代。

而在這一領(lǐng)域,劉盛綱則帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)取得了一系列的成就——我國首只0.22THz千瓦級(jí)高功率回旋管,首只輸出功率達(dá)250mW、0.11THz的太赫茲orotron樣管,國際上率先提出雙電子注回旋脈塞概念并實(shí)現(xiàn)回旋器件雙頻工作機(jī)理,重點(diǎn)突破了太赫茲通信接收機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù),研制出0.22THz高效倍頻源,初步形成了0.22THz通信系統(tǒng)的雛形。

在太赫茲應(yīng)用上,由于太赫茲覆蓋了包括凝聚態(tài)物質(zhì)和生物大分子在內(nèi)的各種轉(zhuǎn)動(dòng)和集體振動(dòng)頻率,其在高空間和時(shí)間分辨率成像信號(hào)處理的信息科學(xué)方面、分層成像技術(shù)等材料科學(xué)方面、以及電子、信息、通信、生命、航天、國家安全等方面都蘊(yùn)藏著巨大的應(yīng)用前景。

“對(duì)于太赫茲的研究,希望國家給予更多的重視和支持,我們會(huì)做的更好,使我國在本領(lǐng)域取得更多的創(chuàng)新性成果和實(shí)際的應(yīng)用?！?劉盛綱堅(jiān)定的說。

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