中科院院士刘盛纲：执着的“太赫兹”先驱

2016-12-25 by:CAE仿真在线来源:互联网

2016年9月27日,丹麦哥本哈根第41届国际红外毫米波-太赫兹会议(IRMMW-THz)上传来阵阵掌声,国际红外毫米波太赫兹学会将该领域的最高奖——特别贡献奖授予了中科院院士、电子科技大学前校长刘盛纲,以表彰其在本领域的杰出成就。该奖要求获奖者必须获过K.J.Button奖、主持过该会议并是该会国际组织委员会成员(IOC member)。而刘盛纲则是迄今为止国际上获得该奖的第三人、中国第一人。

老骥伏枥,推动我国“太赫兹”研究发展

太赫兹波(Terahertz, THz)是频率在0.1THz-10THz (1THz=1012Hz)范围内的电磁波,处于宏观电子学与微观光子学的过渡区域,是电磁波谱中唯一待全面开发的频谱资源,已成为发达国家争先抢占的核心频谱资源和科学制高点。

2016年9月29日,是电子科大这所“年轻”高校的60岁生日,而这也是83岁的刘盛纲院士放弃国外发展机会、在电子科大学习和工作的第60个年头。作为一名科学工作者,刘盛纲不但是我国最早开展自由电子激光研究、高功率微波研究的科学家和国际电磁场与生物细胞非热相互作用研讨会的发起人之一。他不担任校长后,仍继续努力,致力于我国太赫兹研究领域的发展。

从1990年开始关注太赫兹,到2005年作为会议执行主席召开以“太赫兹科学技术的新发展”为主题的第270次香山科学会议,从2007年促成太赫兹重要辐射源相关“973”项目立项,到2011年电子科大第一个上亿元、由该校李少谦教授主持的“863计划”主题项目“毫米波与太赫兹无限通信技术开发”正式启动,刘盛纲奔走呼吁二十多年,艰难推动我国太赫兹研究向纵深发展。

“在太赫兹研究领域,我们并没有比欧美落后。我在1980年成为中科院学部委员,在电子科大做过15年的校长,能继续为国家做出贡献是我最大的心愿。” 刘盛纲在接受《中国科学报》记者采访时说。

原始创新的力量

一直以来,太赫兹辐射源都是制约其学科发展的关键瓶颈问题。由于太赫兹的量子能量很小(1THz≈4.1mev),国际学术界一直未发现任何能级差在“毫电子伏”的物质(气体除外)。因此,利用能级间跃迁的激光原理不可能产生,科学家们就提出利用次能级,即量子级联激光器(QCL)来解决这一问题。然而,数十年来,美国哈佛大学、MIT及欧洲的科学家们尽了很大努力,在10K的低温下使4THz功率达到了毫瓦级,这被认为是QCL所能达到的极限。

“经过长期的努力发现,仅仅依靠电子学或仅仅依靠光子学都难于解决太赫兹间隙(THz gap)的问题。经过非常仔细的思考,我们提出可以将二者结合起来研究。”刘盛纲说。

2012年10月10日,刘盛纲院士团队刊发在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的一篇文章在国际上引起了很大反响。刘盛纲团队发现,利用物质的表面等离子体激元(SPPs)可以实现把电子学和光子学结合起来产生电磁辐射的新机理。利用银、金等贵金属薄膜产生的辐射成功覆盖了从红外直到紫外线的波段。

对这一重要成果,《自然—物理学》在其专栏上刊出评述文章,指出该研究“揭示了一种全新的切伦科夫辐射现象”,“这是一个十分令人惊讶的成果,这种物理现象对于发展辐射源、探测器十分重要”。国际著名科学家、德国洪堡大学的理学院院长Michael von Ortenberg教授评价道:“这是震动本领域的具有革命性意义的原创性成果。”

2014年,刘盛纲院士团队应用二维材料石墨烯的表面等离子体波产生辐射,得到了覆盖整个太赫兹频段的辐射源,该文章在美国《应用物理快报》(Applied Physics Letters)发表。本文及后续的文章发表后,本领域专家认为这种可以覆盖太赫兹间隙的原理和方法,已经被理论和实验验证确定。根据这个原理,相干的、可调谐的功率密度高达105W/m2以上的太赫兹辐射源的科学问题已经解决。目前,刘盛纲院士团队正探索利用其他的二维材料,如wyel二维材料等产生增强的相干的电磁辐射。

呼吁国家加强“太赫兹”投入

如果说谦和、矍铄是刘盛纲给记者的第一印象,那么炙热的爱国情怀、对科学的执着和眼神中带着的坚毅,则是他令记者被深深感染的又一种精神力量。

“日本已决定将在2020年东京奥运会上全面使用太赫兹无线通信。因此,加大我国对太赫兹的科研和应用投入,已经刻不容缓。”刘盛纲略显担忧的说。

国际通讯联盟已经指定下一代地面无线通信的频段为0.12THz-0.22THz,太赫兹技术将成为6G或7G通讯的基础,人类将全面进入太赫兹通信时代。

而在这一领域,刘盛纲则带领他的团队取得了一系列的成就——我国首只0.22THz千瓦级高功率回旋管,首只输出功率达250mW、0.11THz的太赫兹orotron样管,国际上率先提出双电子注回旋脉塞概念并实现回旋器件双频工作机理,重点突破了太赫兹通信接收机系统结构等关键技术,研制出0.22THz高效倍频源,初步形成了0.22THz通信系统的雏形。