中科院院士劉盛綱：執著的“太赫茲”先驅

2016-12-25 by:CAE仿真在線來源:互聯網

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

老驥伏櫪,推動我國“太赫茲”研究發展

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

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展機會、在電子科大學習和工作的第60個年頭。作為一名科學工作者,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家和國際電磁場與生物細胞非熱相互作用研討會的發起人之一。他不擔任校長后,仍繼續努力,致力于我國太赫茲研究領域的發展。

從1990年開始關注太赫茲,到2005年作為會議執行主席召開以“太赫茲科學技術的新發展”為主題的第270次香山科學會議,從2007年促成太赫茲重要輻射源相關“973”項目立項,到2011年電子科大第一個上億元、由該校李少謙教授主持的“863計劃”主題項目“毫米波與太赫茲無限通信技術開發”正式啟動,劉盛綱奔走呼吁二十多年,艱難推動我國太赫茲研究向縱深發展。

“在太赫茲研究領域,我們并沒有比歐美落后。我在1980年成為中科院學部委員,在電子科大做過15年的校長,能繼續為國家做出貢獻是我最大的心愿。” 劉盛綱在接受《中國科學報》記者采訪時說。

原始創新的力量

一直以來,太赫茲輻射源都是制約其學科發展的關鍵瓶頸問題。由于太赫茲的量子能量很小(1THz≈4.1mev),國際學術界一直未發現任何能級差在“毫電子伏”的物質(氣體除外)。因此,利用能級間躍遷的激光原理不可能產生,科學家們就提出利用次能級,即量子級聯激光器(QCL)來解決這一問題。然而,數十年來,美國哈佛大學、MIT及歐洲的科學家們盡了很大努力,在10K的低溫下使4THz功率達到了毫瓦級,這被認為是QCL所能達到的極限。

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

2012年10月10日,劉盛綱院士團隊刊發在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上的一篇文章在國際上引起了很大反響。劉盛綱團隊發現,利用物質的表面等離子體激元(SPPs)可以實現把電子學和光子學結合起來產生電磁輻射的新機理。利用銀、金等貴金屬薄膜產生的輻射成功覆蓋了從紅外直到紫外線的波段。

對這一重要成果,《自然—物理學》在其專欄上刊出評述文章,指出該研究“揭示了一種全新的切倫科夫輻射現象”,“這是一個十分令人驚訝的成果,這種物理現象對于發展輻射源、探測器十分重要”。國際著名科學家、德國洪堡大學的理學院院長Michael von Ortenberg教授評價道:“這是震動本領域的具有革命性意義的原創性成果。”

2014年,劉盛綱院士團隊應用二維材料石墨烯的表面等離子體波產生輻射,得到了覆蓋整個太赫茲頻段的輻射源,該文章在美國《應用物理快報》(Applied Physics Letters)發表。本文及后續的文章發表后,本領域專家認為這種可以覆蓋太赫茲間隙的原理和方法,已經被理論和實驗驗證確定。根據這個原理,相干的、可調諧的功率密度高達105W/m2以上的太赫茲輻射源的科學問題已經解決。目前,劉盛綱院士團隊正探索利用其他的二維材料,如wyel二維材料等產生增強的相干的電磁輻射。

呼吁國家加強“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、對科學的執著和眼神中帶著的堅毅,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年東京奧運會上全面使用太赫茲無線通信。因此,加大我國對太赫茲的科研和應用投入,已經刻不容緩。”劉盛綱略顯擔憂的說。

國際通訊聯盟已經指定下一代地面無線通信的頻段為0.12THz-0.22THz,太赫茲技術將成為6G或7G通訊的基礎,人類將全面進入太赫茲通信時代。

而在這一領域,劉盛綱則帶領他的團隊取得了一系列的成就——我國首只0.22THz千瓦級高功率回旋管,首只輸出功率達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現回旋器件雙頻工作機理,重點突破了太赫茲通信接收機系統結構等關鍵技術,研制出0.22THz高效倍頻源,初步形成了0.22THz通信系統的雛形。