| 編者按 | 

隨著5G、6G被提上日程，太赫茲技術(shù)也逐漸進(jìn)入了大眾的視野，成為人類認(rèn)識世界的“第三只眼睛”。

太赫茲以其獨(dú)特的屬性被評為改變未來世界的十大技術(shù)之一，2019年科學(xué)家首次觀測到的“甜甜圈”，即黑洞，就是利用太赫茲天文望遠(yuǎn)鏡觀測的，所以太赫茲的應(yīng)用離我們并不遙遠(yuǎn)，無論是在信息，還是醫(yī)學(xué)，亦或是食品安全等各個領(lǐng)域，它都無處不在，引發(fā)了對人們生產(chǎn)及生活方式的重大變革。

而今天做客“Light人物”的嘉賓便是多年從事太赫茲研究的國際知名學(xué)者，來自美國三大光學(xué)中心之一——羅切斯特大學(xué)的張希成教授。作為太赫茲領(lǐng)域的先驅(qū)，他經(jīng)過多年實踐，成功實現(xiàn)了用水產(chǎn)生太赫茲波，改變了我們對水和太赫茲波兩者關(guān)系的認(rèn)知。

接下來請跟隨Light科學(xué)編輯走進(jìn)太赫茲世界，了解最新、最前沿的科學(xué)技術(shù)以及其背后的“故事”。

張希成教授1982年畢業(yè)于北京大學(xué)，1986年在美國布朗大學(xué)（羅德島州普羅維登斯市）獲物理學(xué)博士學(xué)位，1985年在美國麻省理工學(xué)院擔(dān)任訪問學(xué)者，1985-1987年他在美國阿莫科研究中心物理技術(shù)部門工作，1987-1991年，在哥倫比亞大學(xué)電氣工程系工作。1992年，他加入倫斯勒理工學(xué)院?，F(xiàn)任羅徹斯特大學(xué)光學(xué)研究所Parker Givens主任教授，是美國科學(xué)促進(jìn)會（AAAS）、美國物理學(xué)會（APS）、電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）、美國光學(xué)學(xué)會（Optica）、國際光學(xué)工程學(xué)會（SPIE）的會士，俄羅斯科學(xué)院外籍院士。張希成教授已獲得29項美國專利，撰寫或合著了300多篇學(xué)術(shù)論文，H影響因子94。他的研究興趣主要圍繞太赫茲波，又稱“T射線”，它是存在于微波和紅外波之間的頻率范圍。他的研究重點是具有超快光學(xué)的自由空間太赫茲光束的產(chǎn)生、檢測和應(yīng)用。

采訪嘉賓：張希成（美國羅切斯特大學(xué)）

采訪人：王卉

翻譯：王卉、于存

原文信息：Wang, H. Light People: Professor Xi-Cheng Zhang. Light Sci Appl 11, 272(2022)

https://www.nature.com/articles/s41377-022-00955-w

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Q：太赫茲科學(xué)是研究電磁波中的某一段，這段電磁波能“看透”許多東西。由于缺少探測器和發(fā)射源，太赫茲的發(fā)展一直滯后，近年來，隨著科技手段的提高，人們在該領(lǐng)域取得了很多成果。您是國際公認(rèn)的太赫茲研究領(lǐng)域的先驅(qū)者，長期從事THz成像和生物-醫(yī)學(xué)應(yīng)用以及超快光子學(xué)、光電子學(xué)領(lǐng)域的研究，您能簡要向我們介紹一下它的發(fā)展歷程及未來的發(fā)展趨勢嗎？

A：一般來說，太赫茲 (THz) 頻段的頻率范圍是0.3–10 THz。這是一個蘊(yùn)藏著很多科學(xué)潛能的光譜窗口。受目前技術(shù)發(fā)展的限制，長期以來，太赫茲頻段一直被認(rèn)為是電磁頻譜中最后一塊未被人類充分認(rèn)識和應(yīng)用的波段，但開發(fā)的時機(jī)已經(jīng)成熟。由于其本身的特殊性，太赫茲波具有很大的應(yīng)用前景，包括：小型電子加速器、非接觸式探針、非線性光學(xué)以及寬帶材料等。太赫茲波段大分子的頻率特征一直受到太赫茲領(lǐng)域研究人員的廣泛關(guān)注。

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Q：隨著太赫茲研究的逐步深入，太赫茲頻譜與技術(shù)對物理、化學(xué)、生物、電子等領(lǐng)域的重要性逐漸凸顯，其應(yīng)用也涵蓋社會經(jīng)濟(jì)諸多方面，比如：太赫茲安檢儀、生物成像、穿墻雷達(dá)等。為什么太赫茲能夠被大面積使用？未來它將在哪些領(lǐng)域大放異彩？

A：太赫茲波是指頻率在0.3 THz到10 THz（1mm-30 μm波長）范圍內(nèi)的電磁輻射，被認(rèn)為是下一個前沿科技領(lǐng)域。太赫茲波介于微波波段的終點與紅外線波段的起點之間。與相對發(fā)達(dá)成熟的微波和光頻科學(xué)技術(shù)相比，太赫茲波段的基礎(chǔ)性研究、新措施以及其先進(jìn)的傳感與成像技術(shù)的發(fā)展還有待探索。

從歷史上看，太赫茲技術(shù)主要在天文學(xué)界用于研究宇宙遠(yuǎn)紅外輻射的背景，在激光聚變學(xué)界用于等離子體的診斷。自20世紀(jì)80年代末太赫茲時域光譜儀出現(xiàn)以來（特別是近年來），隨著高效太赫茲輻射源和探測技術(shù)的出現(xiàn)，為了解太赫茲的基礎(chǔ)科學(xué)提供了新契機(jī)。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，太赫茲科學(xué)不僅對材料表征和識別產(chǎn)生影響，還將在通信、成像、醫(yī)學(xué)診斷、健康監(jiān)測、環(huán)境控制、化學(xué)和生物傳感以及安全、質(zhì)量監(jiān)控等領(lǐng)域具有潛能。在21世紀(jì)，太赫茲波段的研究是成像和其他跨學(xué)科領(lǐng)域轉(zhuǎn)型發(fā)展的最有前途的研究領(lǐng)域之一。

相較于其他低成本方法，在大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用上使用典型的太赫茲系統(tǒng)，成本仍然過高。

也許最重要的工業(yè)應(yīng)用是質(zhì)量控制和缺陷檢測的無損評估。之前大約有上百家公司與我聯(lián)系，其中80%以上的公司都提出對無損評估的需求。例如：太赫茲輻射可以穿透光學(xué)和紅外不透明材料，并且它比微波輻射具有更高的空間分辨率，能夠廣泛適應(yīng)于各種成像，從工業(yè)質(zhì)量控制、生物醫(yī)學(xué)到安全應(yīng)用等領(lǐng)域。

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Q：我們知道，固體、氣體和等離子體能夠被用于產(chǎn)生太赫茲波，但是您提出用飛秒強(qiáng)激光脈沖使液態(tài)水產(chǎn)生高強(qiáng)度和寬帶的太赫茲波，您是如何想到這一創(chuàng)新點的？相比于前三者形態(tài)，液態(tài)有什么優(yōu)勢？

A：眾所周知，水是一種最常見的液體，它在太赫茲頻段是一種強(qiáng)吸收劑，因此液態(tài)水歷來被認(rèn)為無法用于太赫茲波輻射的來源。

正常的宇宙物質(zhì)由四種狀態(tài)組成：固體、液體、氣體和等離子體。幾十年來，固體、氣體和等離子體產(chǎn)生太赫茲波已經(jīng)被證明、使用和理解。然而，液體源產(chǎn)生的太赫茲波明顯不存在，尤其是液態(tài)水，這是由于水在太赫茲頻段的強(qiáng)吸收特性。如果可以將液體作為太赫茲源，我們有理由認(rèn)為它可能具有獨(dú)特的屬性。液體的分子密度很高，接近于固體的分子密度，這意味著光在一定區(qū)域內(nèi)會比同等截面的氣體發(fā)生更多的分子相互作用，這使得液體能夠成為研究高能量密度等離子體的“候選者”。液體水能夠產(chǎn)生太赫茲波的成功研究將為太赫茲物質(zhì)相這一難題畫上完美的最后一筆。新的物理學(xué)將被開發(fā)來充分表征液體的這種狀態(tài)，特別是水和相關(guān)材料，以支持新的太赫茲波科學(xué)、技術(shù)和應(yīng)用。

圖1：固體、氣體和等離子體這三種狀態(tài)已被用來產(chǎn)生太赫茲波，而使用液體作為太赫茲源是一個真正的挑戰(zhàn)

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Q：自1988年起，您便開始從事THz成像研究及其在生物-醫(yī)學(xué)應(yīng)用和超快光子學(xué)、光電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用并致力于在全球范圍內(nèi)推廣和發(fā)展太赫茲科學(xué)與技術(shù)。您為什么會選擇這個研究方向？從事太赫茲研究多年，您眼中的太赫茲是什么樣的？

A：20世紀(jì)80年代，美國有三個小組積極從事用超短激光控制脈沖太赫茲波的研究，包括：Dan Grischkowsky（今年6月剛剛?cè)ナ溃╊I(lǐng)導(dǎo)的IBM Thomas J. Watson研究中心團(tuán)隊，Martin Nuss領(lǐng)導(dǎo)的貝爾實驗室團(tuán)隊，David Auston領(lǐng)導(dǎo)的哥倫比亞大學(xué)團(tuán)隊。那時他們還沒有產(chǎn)生和檢測太赫茲波的實驗技術(shù)條件。所以他們不得不制造光學(xué)元件，并開發(fā)一套太赫茲測量系統(tǒng)。起初，他們試圖通過使用光導(dǎo)天線（又稱奧斯頓開關(guān)）或電光整流來產(chǎn)生太赫茲波。當(dāng)我在哥倫比亞大學(xué)做研究期間，我非常好奇太赫茲波是否具有透視能力。我觀察到在飛秒激光束激發(fā)下，無偏置半導(dǎo)體晶體發(fā)射出脈沖太赫茲波。在興奮之余，我嘗試了很多周圍能找到的材料，包括：電介質(zhì)、金屬、紙巾、衣服、木材，甚至是我的手指、我試圖尋找新的太赫茲波發(fā)射材料來理解它們的物理特性。早期我們大多數(shù)人使用光電導(dǎo)偶極子天線來檢測太赫茲波?，F(xiàn)在他們有很多不同的方法來檢測太赫茲波，尤其是使用短脈沖激光器。

圖2：張希成教授與2018年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者Gerald Mourou合影

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Q：在最新發(fā)布的Scholar h指數(shù)排名中Light：Science & Applications在世界光學(xué)領(lǐng)域排名第二，今年又恰逢Light創(chuàng)刊十周年，您作為Light期刊主編有什么期望與建議嗎？能與我們分享一下您與Light期刊的故事嗎？

A：在我完成《光學(xué)快報》主編兩個任期（2014年-2019年）工作后，我很榮幸擔(dān)任了Light期刊的執(zhí)行主編以及后來的聯(lián)合主編。Light期刊對國際光學(xué)和光子學(xué)界產(chǎn)生了非常重要的影響，我很開心能夠與這個優(yōu)秀的編輯團(tuán)隊和員工一起工作。Light在過去10年里取得了令人驚嘆的成績！我們現(xiàn)在面臨著更多的競爭，因為與10年前相比，出現(xiàn)了更多新的光學(xué)和光子學(xué)類期刊。作為Light的主編，我將確保Light繼續(xù)為光學(xué)界人士提供一流的平臺和服務(wù)，不斷吸引并發(fā)表最新最前沿的科技論文。

圖3：2012年張希成教授訪問長春光機(jī)所編輯部

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Q：您認(rèn)為身為導(dǎo)師應(yīng)該如何培養(yǎng)學(xué)生？

A：作為導(dǎo)師不應(yīng)該只是簡單地把培養(yǎng)和教育學(xué)生當(dāng)做一份工作。在我看來，這更是一種激情。要像對待自己孩子一樣來對待學(xué)生。要讓他們學(xué)會摸索著成長，給他們發(fā)展的自由，信任他們，在他們犯錯時要能夠鼓勵他們（我相信從失敗中學(xué)習(xí)是成長的一種好方式）。

圖4：2013年張希成教授與上海交通大學(xué)張杰校長合影（攝于2013年紐約羅切斯特大學(xué)畢業(yè)典禮）

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Q：您和您的課題組創(chuàng)新性地利用脈沖激光泵浦在流動的水膜中觀察到了太赫茲波出射，填補(bǔ)了液態(tài)太赫茲源的空白，具有非常重要的意義。在實驗的過程中，遇到失敗時，您是如何調(diào)整心態(tài)的？有什么趣事能與我們分享一下嗎？

A：大約14年前，我建議小組的學(xué)生和研究人員考慮嘗試使用飛秒激光從液態(tài)水中產(chǎn)生太赫茲波。按愛因斯坦系數(shù)關(guān)系所說，如果一個原子有很強(qiáng)的吸收，那么通過愛因斯坦系數(shù)關(guān)系（A和B，它們成正比），它也應(yīng)該有很強(qiáng)的發(fā)射性。由于水分子具有很強(qiáng)的吸收性，因此它可以具有很強(qiáng)的發(fā)射性。雖然原理說得通，但是，我們已經(jīng)嘗試了10多年，一直無法去證明。幾年前，我有一個華中科技大學(xué)的學(xué)生，他叫金琪。在我的幾個博士生和博士后都放棄嘗試這個試驗后，我希望他能試一試。我們先后嘗試了使用薄水膜、流動的水、自由水。一開始，我們并沒有看到任何希望，他也差點像同組的其他人一樣打算放棄。但是，最后他還是決定再多花1~2周時間去研究它。就在他打算放棄的前一天，他突然發(fā)現(xiàn)了可能的信號，隨后我們對實驗進(jìn)行了優(yōu)化，此外我們還聘請了一名博士后，他是來自中國科學(xué)院物理研究所的鄂軼文博士。2017年我們的實驗終于取得了成功。同年我們組發(fā)表了關(guān)于液態(tài)水能產(chǎn)生太赫茲波的文章，這也是世界上第一次關(guān)于此方面的報道?，F(xiàn)在，鄂軼文博士已經(jīng)成為了太赫茲液體光子學(xué)領(lǐng)域的杰出科學(xué)家。

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Q：您是AAAS（美國科學(xué)促進(jìn)會）、APS（美國物理學(xué)會）、IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會）、 OPTICA（美國光學(xué)學(xué)會）、SPIE（國際光學(xué)工程學(xué)會）的會士或成員，以及俄羅斯科學(xué)院外籍院士，積極參與各類國際學(xué)術(shù)組織。此外，您還訪問各類研究所、大學(xué)、企業(yè)，做講座、報告等，您為什么樂于參與這些學(xué)術(shù)公共事務(wù)活動？您的收獲有哪些？

A：是的，我已經(jīng)做了500多場講座或演講。我認(rèn)為這也是一種社會服務(wù)，在達(dá)到一定的年齡掌握一定的經(jīng)驗后，應(yīng)該為社會服務(wù)。而額外的收獲就是美食，我參與這些活動的時候需要有很多的旅行，而會議期間經(jīng)常會提供豐富的美食。

面對面互動交流是線下會議的一個明顯的優(yōu)勢，但是它的缺點是需要花費(fèi)很多時間，倒時差也是一件令人不悅的事。

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Q：在您眼中，科研的魅力是什么？您從科研生活中收獲了什么？

A：對我而言，我喜歡去探索未知的領(lǐng)域，不做研究會很無聊。我很喜歡小動物，喜歡園藝。在做科學(xué)研究時，最快樂的時光就是有新發(fā)現(xiàn)的時候，那是一種收獲的喜悅。

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Q：迄今為止，對您影響最大的人是誰？為什么？

A：大致可以分為兩種

對職業(yè)影響較大的人：

我是在北京21中學(xué)讀的高中，班主任兼任數(shù)學(xué)老師魯梅琛和物理老師冀明理對我影響非常大。班主任的激情讓我體會到一名教師應(yīng)該如何去“教”，物理老師教會了我如何去理解科學(xué)。

對個人成長影響較大的人：

我的父親張帆當(dāng)了30多年的中國新聞社總編輯，他對工作兢兢業(yè)業(yè)。步他的后塵，我現(xiàn)在也擔(dān)任幾個國際科學(xué)期刊的主編。當(dāng)然，我的夫人是我生活中最重要的人。

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Q：您平時有什么愛好嗎？您是如何平衡工作和生活的？

A：我喜歡旅行，喜歡美食，我也喜歡園藝，這些對身體健康非常有益。

圖5：張希成教授在加拿大班夫國家公園

圖6：張希成教授的家人在羅徹斯特大學(xué)參加女兒的畢業(yè)典禮

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Q：據(jù)我所知，您的妻子非常支持您的科研事業(yè)發(fā)展，能舉幾個例子么？如果請您對她說一句話來表達(dá)您的心情，您想對她說什么？

A：我的妻子是我強(qiáng)有力的支持者，鼓勵我要在事業(yè)上志存高遠(yuǎn)。“我愛你和謝謝你”是我一生都想對她說的話。

圖7：張希成教授和妻子結(jié)婚40年，一起度過美好而難忘的時光

圖8：大約10年來，張教授和妻子每年六月都會到俄羅斯圣彼得堡體驗白夜

圖9：張教授和妻子在院子里的合影

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Q：您對年輕的科研工作者有什么建議和期待？

A：我經(jīng)常告訴我的學(xué)生，如果你努力嘗試了，你有可能得不到你想要的。但是，如果你都沒有努力去嘗試，那么你一定不會得到你想要的。

| Light科學(xué)編輯 |

王卉，現(xiàn)任中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所（長春光機(jī)所）國際合作處副處長，主要從事國際交流，科學(xué)傳播，國際人才合作等工作；曾任長春光機(jī)所與自然出版集團(tuán)合作期刊 Light: Science & Applications的創(chuàng)刊英文編輯，在《編輯學(xué)報》、《國際人才交流》、 Light: Science & Applications等期刊發(fā)表文章20余篇，并應(yīng)SPIE邀請在SPIE Women in Optics發(fā)表文章。她是Rose in Science活動發(fā)起人，也是iCANX Story（大師故事）欄目的共同發(fā)起人兼主播，曾采訪多位國際知名科學(xué)家，如諾貝爾物理學(xué)獎獲得者Donna Strickland、諾貝爾化學(xué)獎獲得者Jean-Marie Lehn，德國物理學(xué)會第一任女主席Johanna Stachel，IEEE光子學(xué)協(xié)會主席Carmen Menoni，澳大利亞科學(xué)院院士Chennupati Jagadish，英國皇家工程院院士李琳，埃尼獎首位華人獲獎?wù)咄踔辛值取?/p>

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