劉盛綱院士：執(zhí)著的“太赫茲”先驅(qū)

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(xué)會將該領(lǐng)域的最高獎——特別貢獻獎，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。該獎要求獲獎?wù)弑仨毇@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，中國獲得該獎的第一人。

老驥伏櫪。推動我國“太赫茲”研究發(fā)展

太赫茲波（Terahertz，THz）是頻率在-.1THz-IOTHz（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)達國家爭先搶占的核心頻譜資源和科學(xué)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(fā)展機會、在電子科大學(xué)習(xí)和工作的第60個年頭。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胞非熱相互作用研討會的發(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)會議，從2007年促成太赫茲重要輻射源相關(guān)“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(shù)開發(fā)”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(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)為國家做出貢獻是我最大的心愿?！眲⑹⒕V在接受記者采訪時說。

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)任何能級差在“毫電子伏”的物質(zhì)（氣體除外）。因此，利用能級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，即量子級聯(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功率達到了毫瓦級，這被認為是QCL所能達到的極限。

“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)過非常仔細的思考，我們提出可以將二者結(jié)合起來研究?！眲⑹⒕V說。

2012年10月10日，劉盛綱院士團隊刊發(fā)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(fā)現(xiàn)，利用物質(zhì)的表面等離子體激元（SPPs）可以實現(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。

對這一重要成果，《自然-物理學(xué)》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(xiàn)象”，“這是一個十分令人驚訝的成果，這種物理現(xiàn)象對于發(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 vonOrtenberg教授評價道：“這是震動本領(lǐng)域的具有革命性意義的原創(chuàng)性成果?！?/p>

2014年，劉盛綱院士團隊?wèi)?yīng)用二維材料石墨烯的表面等離子體波產(chǎn)生輻射，得到了覆蓋整個太赫茲頻段的輻射源，該文章在美國《應(yīng)用物理快報》（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)被理論和實驗驗證確定。根據(jù)這個原理，相干的、可調(diào)諧的功率密度高達105W/m²以上的太赫茲輻射源的科學(xué)問題已經(jīng)解決。目前，劉盛綱院士團隊正探索利用其他的二維材料，如wyel二維材料等產(chǎn)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(xué)的執(zhí)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(yīng)用投入，已經(jīng)刻不容緩?！眲⑹⒕V略顯擔(dān)憂地說。

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)，人類將全面進入太赫茲通信時代。

而在這一領(lǐng)域，劉盛綱則帶領(lǐng)他的團隊取得了一系列的成就——我國首只O.22THz千瓦級高功率回旋管，首只輸出功率達250mW、O.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(xiàn)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(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)動和集體振動頻率，其在高空間和時間分辨率成像信號處理的信息科學(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藏著巨大的應(yīng)用前景。

“對于太赫茲的研究，希望國家給予更多的重視和支持，我們會做的更好，使我國在本領(lǐng)域取得更多的創(chuàng)新性成果和實際的應(yīng)用?！眲⑹⒕V堅定地說。

來源：科學(xué)網(wǎng)endprint