解碼太赫茲

高妍+毛艷玲

只需一秒，即可搞定人體安全檢查，避免了機場火車站等地“安全門掃描+金屬探測器全身探查”的繁瑣，無需身體接觸，方便高效。

光束一掃，即可根據織物的反應甄別肉眼和手感難以判斷的天然絲綢與人造絲綢，讓假冒偽劣產品無所遁形。

…………

正在幫助研究人員實現這些神奇應用的，是一種叫做太赫茲波的電磁波譜。它的應用范圍還包括卻不僅限于高分辨率安全成像、更好的防撞雷達、大容量的通信網絡和高靈敏光譜檢測危險化學品和爆炸物等等。

它到底是什么？

太赫茲波是指頻率在0.1THz到10THz范圍的電磁波譜，介于微波和遠紅外波之間，其低頻率段與微波相重合，而在高頻率段則與紅外光波相重合，兼具了電子學和光子學的優勢。太赫茲波是電磁波譜中唯一沒有獲得較全面研究并很好加以利用的最后一個波譜區間。

事實上，地球上的一切生命，有機物、無機物等都會因分子或原子的熱振動產生太赫茲波，天然的太赫茲波充滿了我們的生活。而其長久未被全面研究和開發的原因，是缺乏高效率的發射源以及靈敏的探測設備，所以才會出現了“太赫茲空隙”。

近年來，超快激光技術和半導體集成技術的發展，為太赫茲技術的研究提供了必要的手段，人類對太赫茲的認識得以不斷深入，于是關于太赫茲波的獨特優勢和更廣闊的應用空間不斷被挖掘出來—

太赫茲波的單光子能量低，且對非極性分子組成的物質如化纖、棉布等具有很好的穿透性，大多數生物大分子的特征吸收峰都落在太赫茲波段，因此，太赫茲波在安全檢查、醫學成像、半導體、環境監測、污損檢測、移動通信、雷達和天文應用等領域具有重要的潛在應用價值。

自2000年起，美國、歐盟等發達國家設定了多個專項計劃來推動太赫茲輻射源、檢測技術和各種應用研究的發展。在亞洲，韓國、新加坡、日本等國也都積極開展了這方面的研究工作。同一時期的中國，太赫茲研究也開始起步。

2001年，首都師范大學太赫茲實驗室建立，成為國內最早開展太赫茲研究的標桿團隊之一。為了取得更快發展，實驗室加大了人才引進力度，先后引進多名青年研究骨干。張巖，就是在這時候加入，從此闖進了一個全新的世界。

交叉融合，謀求創新

張巖回國是2003年11月。在這之前，他擁有豐富而扎實的研究和求學經歷—

2002—2003年，在德國洪堡基金的資助下，張巖在德國斯圖加特大學應用光學研究所任洪堡研究員，從事數字全息重建算法的研究。他提出了利用相位恢復算法來進行數字全息重建的新方案，得到了同行的重視和肯定。這部分內容作為美國Nova Science出版社的新書“New Developments in Lasers and Electro-Optics Research”中的一章，已經出版發行。

2001—2002年，張巖在香港理工大學電子工程系從事光纖氣體傳感器研究。他將激光內腔光譜儀同光纖光學相結合，制成了高靈敏度的光纖氣體傳感器，靈敏度提高了100倍，并提出了多種復用方法，推進了光纖內腔傳感器的應用。這部分內容作為科學出版社出版的《光纖傳感技術新進展》一書中的一章，已經出版發行。

1999—2001年，張巖在日本學術振興會博士后基金的資助下，在日本山形大學工學部從事生物成像研究。他提出了多種提高光學相干層析分辨率的方法，主要工作發表在Opt. Lett.上，得到了國際同行的重視，并被應用在實際儀器上。

而在更早之前，張巖的博士和碩士學位分別完成于中科院物理研究所和哈爾濱工業大學。在這個階段，他跟隨導師開展了利用光學分數傅立葉變換進行信息處理的研究，促進了分數傅立葉變換在光學信息處理領域中的應用，是我國最早開展光學分數傅立葉變換的研究學者之一。

不難看出，張巖的科研道路很順利，所獲成果頗多，但研究方向的不斷轉換卻弊大于利。他自己也在困惑：在國外漂來漂去，研究方向換來換去，總感覺是為別人服務、為別人打工，還是想做點自己的事情。

于是，張巖決定回國，一是找個地方踏踏實實地瞄準一個方向做科研，二是回國做點貢獻，不辜負老師和國家的培養。加入首都師范大學太赫茲實驗室，是博士階段導師楊國楨院士搭橋。張巖說，當時對太赫茲了解得很少，可以說是從零開始。

面對未知的世界，方向比努力更重要。在研究方向的選擇上，張巖堪稱一個謀求交叉融合的專家。經過深入了解和分析，他鎖定太赫茲焦平面成像技術。“我以前的研究都和成像相關，這能發揮我的優勢，而且要想做好學問，第一是能夠把所學交叉融合，第二是要走特色之路。”

據介紹，太赫茲焦平面成像技術融合了太赫茲技術、光學相干層析成像技術、數字全息技術等，是典型的交叉學科方向，且國內當時無人從事這項研究，正好符合張巖的要求。

科學研究的路從來都不是一帆風順的，尤其是在當時仍幾乎是一片“處女地”的太赫茲領域。空白，意味著艱難。

張巖介紹，太赫茲波在電磁波譜中的特殊位置，決定了太赫茲波與物質相互作用時呈現出不同于微波和光波的獨特性質，使得太赫茲技術擁有得天獨厚的優勢；同時也是因為這個特殊位置，使成熟的高頻微波和光電子技術，以及相應的傳統器件在太赫茲波段的實現與應用受到限制。

可以這么說，研究太赫茲就像面對一鍋麻辣鮮香的水煮魚，好吃，但刺多、“難”吃。剔掉魚刺，才能大飽口福。張巖這十來年的研究，就是不斷“剔掉魚刺、挖出魚肉”的過程。

在北京市科技新星計劃、北京市留學人員擇優資助等人才項目的資助下，張巖腳踏實地，銳意進取，逐步成長為實驗室的核心成員。他組建了自己的團隊，帶領他們專注開展太赫茲波譜與成像、太赫茲波段表面等離子光學和微納光電子器件設計等方面的工作，并在行業內嶄露頭角。

他們在太赫茲成像方面提出了多波長成像，偏振成像，實時層析成像等多種太赫茲成像方法，多篇論文被太赫茲領域的知名期刊收錄。到目前為止，僅張巖一人，就有160篇文章收錄在SCI索引中，論文被他人引用1800次，H因子為23。

他們將太赫茲焦平面成像技術引入太赫茲時間分辨光譜測量系統中，成為國內唯一的太赫茲焦平面成像技術開創者。

他們研發出的太赫茲脈沖焦平面成像系統，可以同時獲得光場的振幅、相位、頻率和偏振信息，實現精準測量，為團隊隨后開展的超材料和器件性能研究提供了強有力的保障。

他們開發出的太赫茲泵浦成像技術系統，在國際上獨一無二……

鎖定超材料，劍指應用

隨著研究的不斷深入，張巖逐漸將研究重點轉移到太赫茲波段的超材料和超表面器件研究，更加貼近應用。

張巖介紹：“通過調控亞波長金屬結構與太赫茲波相互作用的特異光學響應，太赫茲超材料和超表面器件已在太赫茲光束整形、導波和調制方面顯示了巨大的潛力和優勢，并可能推動太赫茲光源和探測器的發展。進一步發展和豐富太赫茲超材料和超表面器件，也將對太赫茲波在傳感、通信和雷達等應用方面產生有益影響。”

所謂超材料（Metamaterial），是一種具有傳統材料所不具備的超常物理性質的人工設計的特種復合材料。通過在材料關鍵物理尺度上的結構有序設計，突破某些表觀自然規律的限制，獲得超出自然界固有的普通性質的超常材料功能，從而實現定制化功能的需求。

超材料與傳統材料的區別在于，傳統材料是先有材料再有應用，而超材料是先有應用需求，再去設計材料。超材料技術是一種材料逆向設計技術，是以應用為導向的技術。

2014年9月，首都師范大學超材料與器件北京市重點實驗室獲得北京市科委的認定，成為該校第6個北京市科委認定的重點實驗室/工程中心。

事實上，作為實驗室主任，張巖在過去的三年里，已經帶領團隊承擔了國家973、國家863、國家自然科學基金委、教育部和北京市項目20多項，發表SCI收錄論文近100篇，獲批國家發明專利13項、實用新型專利5項，成果頗豐。

近年，張巖帶領課題組以實時全光太赫茲調制為目標，在太赫茲超材料、超表面以及主動調制器件三方面開展了對太赫茲波頻譜、偏振、振幅和相位調制的理論和實驗研究工作，形成了以結合表面等離子體波理論和衍射光學元件設計方法為特色的階段性成果。

在頻譜調制方面，研究了閉合和劈裂共振環結構這類頻率選擇表面器件對太赫茲波電偶極共振和環磁共振模式在不同偏振態和結構對稱破缺時的調制；

在金屬超薄超表面光場調制方面，設計實現了偏振相位轉換調制天線結構，并應用于聚焦和成像平板透鏡、全息顯示和渦旋光束產生等方面；

在光控太赫茲波振幅型調制器方面，研究了光泵浦半導體硅片中載流子遷移致電導率的變化和對太赫茲波透過率的調制，并應用于菲涅耳波帶片、全息顯示和渦旋光束產生等方面。

相關研究成果發表在Advanced Optical Materials等期刊上，受到了審稿人和編輯的高度評價，得到了SCIENCE綜述論文的引用。

同時，在開展這些實驗研究的過程中，相繼建成和穩定運行了透射式、反射式太赫茲時域光譜系統和擁有專利的焦平面太赫茲成像系統，滿足了對光譜測量、透射光場和表面波光場測量以及偏振測量的需求。

…………

他們的每一步，都在朝應用邁進，不斷摸索并實踐著一條以應用為導向，以需求為出發點的新路。

感恩過往，期許未來

正如這世界上沒有兩片相同的葉子，每個人的成功也都是不可復制的，各有各的妙處。豐富的求學經歷，是張巖成長道路上的獨有風景。張巖說每一段經歷，都是一種成長，他感恩并珍惜。

張巖說每一所大學都帶給他不同的感悟—哈爾濱工業大學“規格嚴格，功夫到家”的校訓教導他為學行事需認真細致；香港科技大學和香港理工大學，讓他體會到了思想開放與包容兼蓄；日本山形大學的研究經歷讓他深切得感受到，精細才能造就卓越；而在德國的兩所大學訪學期間，德國學者的嚴謹作風也使他深受影響……

回國后加入首都師范大學物理系，更是收獲良多。作為我國最早開展太赫茲研究的團隊之一，首都師范大學太赫茲實驗室在2005年以“太赫茲科學技術的新發展”為主題的第270次“香山會議”上，被確定為全國太赫茲技術開放研發平臺之一，迎來新的發展機遇。此后，2006年，該實驗室被正式批準為北京市“太赫茲波譜與成像”重點實驗室；2007年獲批太赫茲光電子學省部共建教育部重點實驗室；2008年獲批中關村開放實驗室；2010年通過教育部驗收，正式成為太赫茲光電子學教育部重點實驗室；2011年獲批北京市太赫茲與紅外工程技術研究中心和無損檢測新技術北京市工程實驗室……直到今天，實驗室已經發展成為國內最好的太赫茲研究基地之一，是國內領先并在國際上有重要影響力的太赫茲開放研發創新平臺。

張巖說，正是因為處在這樣一個優質平臺上，正是因為有團隊的支持、師長的教誨，自己才得以盡情施展才華。

而如今，張巖也正在積極打造另一個優質平臺—北京市超材料與器件重點實驗室。他正以領導者的身份，帶領團隊成員，充分發揮學科優勢和特點，積極開展超材料與器件的基本物理理論以及相應的實驗研究。他希望能夠將實驗室建設成為超材料領域的優秀科研平臺、人才培養基地和學術活動中心，推動超材料與超表面太赫茲調制器件的發展與應用。

張巖曾在一篇名為《太赫茲超材料和超表面器件的研發與應用》的論文中論述對太赫茲超材料和超表面器件的預期：“太赫茲技術領域的不斷發展催生了對各種新穎超材料和超器件的需求，同時也激發新的研究興趣。利用超表面器件對太赫茲波的振幅和相位調制能力，不僅可以調制透射光場，亦可用于調制反射光場以及沿界面傳輸的表面波光場；利用超材料器件中高品質因子形成的強烈的光場局域增強特性，可以開展太赫茲波非線性光學的研究；進一步發展太赫茲探針隧穿成像和太赫茲顯微成像系統，將為研究半導體和/或金屬超材料和超表面器件的機制與應用提供新的手段。”簡而言之，潛力無限，未來可期。