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    “生命射線”太赫茲波——對話高能強場太赫茲脈沖源團隊

    2018-05-27

    導語:
           近期,北京航空航天大學微波感知與安防應用北京市重點實驗室吳曉君副教授的強場太赫茲研究團隊與中國科學院物理研究所李玉同研究團隊合作,取得了高能強場太赫茲脈沖源的重要突破。在4月23-26日的第九屆超快現象與太赫茲國際會議上,傾斜波前技術的發明人Hebling教授在其主題報告中,視該研究成果為利用傾斜波前技術獲得的最新世界紀錄。  

    圖:(左圖)吳曉君副教授在第九屆超快現象與太赫茲國際會議上展示最新成果 (右圖)吳曉君副教授與傾斜波前技術的發明人Hebling教授的合影

       “生命射線”太赫茲波  

    太赫茲電磁輻射波長位于微波與遠紅外光之間,頻率范圍覆蓋0.1-30THz,,又被稱為亞毫米波,是電磁波譜上還未被人類深入研究和開發,但極具學術價值和重要應用的一個頻段。太赫茲波又被稱為“生命射線”,不僅因為其特殊頻段包含生命分子DNA和蛋白質的集體振動頻率,還因為占人體70%的水所具有的氫鍵網絡的動態時間也在皮秒量級(皮秒的倒數即為太赫茲)。

    圖:電磁波頻段劃分

    太赫茲波具有四個特點,普遍性、唯一性、寬帶性和瞬時性。無論是人體還是宇宙大爆炸所釋放的射線,其間都包含豐富的太赫茲頻段信號,太赫茲波在自然界中普遍存在,是人們認識自然界的有效線索和工具。而唯一性表現在太赫茲波具有較強的穿透力和較高的分辨率,同時具有唯一的物質光譜,因此太赫茲在安防和生物檢測領域的發展潛力不可小覷。此外,數據的高速傳輸和研究熱化學反應的超快動力學也少不了太赫茲的身影,借助其超短的脈沖間隔即有可能實現對化學反應在原子層面的操控。

    強場太赫茲輻射源

    當人們試圖利用電子學和光學的技術分別從低頻和高頻向該頻段擴展時,卻都遇到了許多困難與挑戰,導致該頻段成為電磁波譜上被遺留下來的“沃土”,阻礙太赫茲科學與技術發展的瓶頸在于高效率輻射源和高靈敏度探測器的缺乏,以及太赫茲功能器件的缺乏,其中高效率太赫茲輻射源的缺乏極為關鍵。

    吳曉君副教授在德國做博士后期間的主要研究方向即為高能強場,有著參與歐盟的電子加速器和一些其他加速器研究的豐富經驗,經過多方考察最終來到北航著手搭建實驗平臺,將國外的先進技術帶回了國內。

    由于實驗平臺的搭建并不容易,吳曉君副教授和她的團隊只能奔波于北航和物理所之間,借用物理所現成的激光器。就在這樣艱苦的實驗條件下,吳曉君副教授和她的團隊在回國不到一年的時間里就獲得了太赫茲強場輻射源的新紀錄。

    高能強場太赫茲輻射源的實現過程中由于泵浦激光脈沖很短和晶體破壞閾值的限制,使得效率不但不能提高,連保持住原有水平都很困難。為此,團隊通過在泵浦脈沖增加啁啾調制的方式,使脈沖展寬,不僅增加了相位匹配的有效作用距離,而且降低了泵浦脈沖的峰值功率,使得太赫茲的產生效率得到提高。實驗獲得的脈沖能量達到了0.2mJ,場強達到4MV/cm,我們平時所見到的閃電,其間峰值電場約為10KV/cm,也只有實驗所獲得電場的四百分之一。

    圖 通過啁啾脈沖展寬技術和光譜調制技術獲得0.2mJ, 4MV/cm的低頻高能強場太赫茲脈沖源及其實驗裝置照片

    報效祖國,培養人才

    重點實驗室主任苗俊剛教授介紹了吳曉君副教授工作的意義和實驗室的情況。苗俊剛教授和吳曉君副教授在談到個人動力時提到最多的一句話就是“想要做點事情”。他們經歷了祖國艱難的發展階段,又看到了祖國如今的繁榮昌盛,國外留學經歷讓他們意識到國內在某些領域依然與國際先進水平存在差異,于是更加堅定了為國效力的決心。微波感知與安防應用北京市重點實驗室是基于北航電磁工程實驗室建成的。北航電磁工程實驗室是我國隱身飛機研究的鼻祖,有著完整的電磁波測量系統和測試場,從軍用到民用、從通信到安防等多種設備和產品,都有該實驗室在關鍵技術上的貢獻,吳曉君副教授團隊所研究的太赫茲源技術也必將使實驗室技術更上一層樓。

    除了不斷在科研上有新的突破,吳曉君副教授也大力支持本科學生參與科研活動,在第九屆超快現象與太赫茲會議上帶領了四位本科生參會,其中電子信息工程學院的方兆吉同學(大三)在會上做了口頭報告,其余三名同學得到了海報展示機會。

    圖:吳曉君副教授(右一)和她的學生團隊

     

    結語:

    目前,世界上還沒有全固態的毫焦量級的太赫茲系統,吳曉君副教授的團隊將會在該方向繼續研究,探索新機理和新技術,再創新高,力爭做出能量更高的全固態高能強場太赫茲輻射源,為后續應用奠定基礎。

     

    策劃/文案:曹嘉輝

    采訪:譚莉莎,曹嘉輝

    設計:楊智涵

    鳴謝:電子信息工程學院

    編審:門戶網站總編總監工作室

    投稿:geoos@buaa.edu.cn



    審核:審核人參數配置未打開 編輯:曹嘉輝

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