l 太赫兹量子电磁效应实验研究平台

　　核心目标：本项目围绕“新型材料太赫兹量子效应”这一科学问题，以研制各种光学太赫兹系统为主要研究手段，主要研究目标为：突破常规太赫兹时域波谱系统在太赫兹电场强度、空间分辨率和波谱覆盖范围等方面的技术瓶颈，研制近场和远场太赫兹实验研究平台，追求更高的动态范围，探测灵敏度和空间分辨率。完善纳米结构设计方案，以理论为指导，从实验中研究纳米尺度下材料的非线性响应过程，为深入理解太赫兹对材料的作用机理，纳米结构对材料特性的影响和太赫兹的局域场增强效应以及单原子、分子能级电子特性打下坚实的理论和实验基础，对新型材料的研发和纳米结构器件的设计及其潜在应用具有重要的意义。

　　建设内容：

　　▶高时空分辨太赫兹扫描隧道显微镜系统

　　超快时间分辨和纳米空间分辨技术一直是凝聚态物理学研究领域需要解决的关键技术。将太赫兹超快脉冲与扫描隧道显微镜结合解决了超快时间尺度下的显微成像问题。研究太赫兹脉冲对扫描隧穿显微镜隧穿电流的作用过程，进而实现对单分子或原子电子轨道波函数的超快成像。

　　▶超宽带双色场太赫兹时域波谱系统

　　研制超宽带双色场太赫兹时域波谱系统，产生紫外泵浦光源，利用光泵浦太赫兹探测技术研究宽带隙半导体材料中载流子与声子模式之间的耦合作用过程等。

　　▶散射式太赫兹近场扫描探针系统

　　研制太赫兹扫描散射原子力显微镜，利用仿真软件对纳米结构特性进行分析计算，通过 近场实验探索不同结构下载流子特性以及不同纳米结构对太赫兹局域场的增强效应。

　　▶基于铌酸锂太赫兹强场系统

　　采用铌酸锂晶体倾斜波阵面等方式产生强太赫兹源，根据不同材料的研究内容搭建太赫兹泵浦飞秒光探测或太赫兹泵浦太赫兹探测实验研究平台，基于高能激光脉冲搭建单发强太赫兹测试系统，探索在强场太赫兹作用下各种材料的非线性作用过程。

　　核心目标：为了满足太赫兹核心器件、太赫兹应用系统的基本测试需求，本建设项目拟开展太赫兹网络分析仪测试平台等几个基本的太赫兹测试平台的建设，为开展太赫兹器件和应用系统的研制提供测试技术保障，太赫兹基础测试平台的建设将为太赫兹器件的测试和太赫兹雷达系统等太赫兹应用系统的测试提供基本的技术保障，逐步形成国内领先的太赫兹测试能力。在此基础上，围绕远距离高通量安检目标的探测识别，开展太赫兹主动式三维高帧率成像方法研究，研究解决提升高通量安检综合能力的关键科学与技术问题，完成太赫兹远距离高分辨率成像雷达的研制与演示验证。

　　建设内容：

　　▶太赫兹网络分析仪测试平台

　　太赫兹矢量网络分析仪平台可以完成高达1.5 THz的元器件特性测试。 测试的元器件包含无源器件如衰减器、滤波器、功分器、隔离器、定向耦合器、天线、传输线等，以及有源器件如低噪声放大器、功率放大器、变频器和收发组件等。对这些元器件，测试的特性参数包括驻波、增益、输入输出功率、增益压缩、三阶交调、噪声系数，以及谐波、杂散、AM-PM失真等。测量的条件既可以是连续波激励下的测试，也可以是脉冲射频激励或脉冲加电下的测试。

　　▶AIRCAS 70-80GHz型亚太赫兹雷达成像系统

　　本系统为我院自主研发的具有完全知识产权的多通道稀疏阵列三维成像系统。系统工作频段70~80GHz，采用全国产射频收发芯片进行模块化稀疏布阵，既保证了阵列各收发通道的信号质量，又保证了方位向高分辨率需要的方位采样间隔，在不降低成像质量的条件下，能够减少93%的发射通道和50%的接收通道。目前研制的稀疏线阵结构为22发射160接收，接收采用并行接收的工作方式，能够大大减小数据采集时间，提高系统运行速度，同时减少了物理通道的个数，大大降低系统成本。

核心目标：在新型太赫兹辐射源和探测器研制过程中，针对太赫兹场与物质相互作用，建立不同的相互作用模型，包括太赫兹场与声子、激子、等离子体波、库珀对和磁子等准粒子的相互作用，需要对太赫兹新型材料与性能进行表征。同时研究太赫兹场本身及其与物质相互作用的量子效应，包括新材料、新结构在太赫兹频段的物理机理、性能与表征方法研究。平台包括原子力显微镜系统，太赫兹波谱测试系统，太赫兹近场探针系统，二维材料制备表征系统等。

　　建设内容：

　　▶原子力显微镜系统

　　原子力显微镜研究对象可以是有机固体、聚合物以及生物大分子等，样品的载体选择范围很大，包括云母片、玻璃片、石墨、抛光硅片、二氧化硅和某些生物膜等 。

　　▶太赫兹波谱测试系统

　　飞秒激光采用倾斜波前方式泵浦铌酸锂晶体产生，入射到扫描探针的太赫兹脉冲波被探针散射，采用电光采样方式进行时域波谱探测，检测的太赫兹信号与原子力显微镜操作软件结合进行成像。

　　▶太赫兹近场探针系统

　　通过检测原子力显微镜探针散射的太赫兹信号，实现太赫兹近场波谱探测功能。在检测太赫兹散射信号时，需采用锁相放大器对微弱信号进行降噪检测，由于探针的调制频率很高(约150kHz)，需采用宽频锁相放大器。

　　l 太赫兹多物理场大规模并行仿真平台

　　核心目标：本项目围绕太赫兹量子电磁学多物理场并行仿真，开展太赫兹材料与器件计算机实验研究，研究解决提升太赫兹量子级联激光器工作温度的关键科学与技术问题，完成太赫兹材料光谱第一性原理计算和宏观多物理场性能分析。

　　建设内容：

　　▶高效密度泛函(DFT)计算平台

　　解决超大体系的金属、半导体、绝缘体、液体、DNA、1维、2维、3维、表面、分子、磁性、非磁性、杂质、固体等等不同系统的材料电磁特性仿真。建立宏观理论和微观机制的桥梁。目前课题组成员从事固态电池电化学性能，室温下热电材料性能优化，热障涂层，高熵合金，高强度铝合金，耐海水腐蚀硬质涂层等研究方向。

　　▶基于非平衡格林函数的材料计算和电子器件量子输运模拟平台

　　进行零或有限偏压下的电子透射谱计算和分析;透射系数与偏置电压在任何指定的能量计算和分析;垂直于输运方向动量分辨的电子透射谱计算和分析;自旋分辨的透射谱的计算和分析;散射矩阵及其本征态计算和分析;电导、电阻和磁阻的计算和分析;电流-电压特性的计算和分析;自旋极化电流的计算和分析;散射态和实空间波函数的计算和求解;散射态和原子轨道空间波函数的计算和求解;非平衡格林函数的计算和求解;哈密顿量矩阵、轨道交叠矩阵的计算和求解。课题组准备开展半导体异质结超晶格器件仿真—对太赫兹量子级联激光器(THz-QCL)设计有重要参考意义。

　　▶人工智能驱动的材料筛选平台

　　结合机器学习和材料信息学，低成本，高效率地进行材料虚拟筛选，广泛应用于有机小分子、无机晶体等材料的虚拟筛选。实现筛选流程自动化和材料逆向设计。进行设计材料成分、控制微观组织和优化制备工艺，基于材料基因数据库的多尺度材料设计系统的建立及应用，实行虚实互补，同时结合材料基因数据库优化计算平台，以实现新材料设计与制备的一体化实验模式，建立安全可靠、可视化的虚拟仿真资源。材料逆向设计这个方案可以广泛应用于课题组成员的多个研究方向，包括优化锂离子电池负极材料--硬碳，量子电磁效应--卡西米尔力的调控需要优化介电常数，高熵合金的材料配合比优化等等。

　　▶宏观材料多物理场分析平台

　　包括有限元力学疲劳寿命分析和热疲劳寿命分析，太赫兹器件和天线设计对接所需电磁场分析等。是第一性原理计算连接材料微观和宏观性质后，将研究链条进一步延长，在宏观尺度对材料的力，热，光，电多物理场性质做进一步数值仿真，可以分析如冲击和爆炸这样短暂、瞬时的动态事件，模拟加工成形过程中改变接触条件的问题、结构抗震分析、瞬态热传导分析、跌落分析等等。还可以根据实际载荷工况将结果比例迭加以产生工作应力时间历程;也可换算成特定类型载荷作用下的弹塑性应力。辅助课题组成员在以下方向取得进展，包括新能源材料用于汽车上时需做耐受汽车颠簸分析，高强度铝合金需做抵抗瞬态冲击的数值分析，热障材料需做多次热循环下的疲劳寿命分析等等。

　　建设内容：本平台专注于发展工作在太赫兹波段，以量子现象为其工作原理的太赫兹量子电磁器件技术。在量子器件中，对各种电磁振荡的变换，利用了量子系统(原子、分子、原子核、固体)从一种状态向另一种状态跃迁而产生的能量。本平台主要开展高功率太赫兹量子级联激光器及太赫兹天馈技术研究。

　　▶太赫兹光子芯片技术工艺平台

　　本项目将开展高功率太赫兹量子级联激光器的研究，发展高功率太赫兹量子级联激光器所需的一系列关键技术，提升我国在高功率太赫兹量子级联激光器方面的研制水平。项目将通过不同有源区结构设计、谐振腔结构设计、材料生长、工艺开发与优化，研制出具有国内领先水平的高功率太赫兹量子级联激光器，项目成果将促进太赫兹核心器件和装置的发展，进一步推动太赫兹技术在通信、成像、安全检测、生物医疗等领域的应用。

　　▶太赫兹微集成工艺与验证平台

　　基于太赫兹天线高效辐射与阵面综合理论、集成化收发前端、以及天馈微系统异构混合集成等技术，结合未来太赫兹宽带组网通信应用需求，开展太赫兹天馈技术应用研究和论证，形成适应应用需求和可工程转化的太赫兹天馈微系统核心技术，搭建演示样机，探索未来空天地多载荷应用发展，与应用场景和载体融合，形成通用太赫兹基础构件，推动太赫兹天馈技术应用发展。