| 編者按 | 

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

太赫茲以其獨特的屬性被評為改變未來世界的十大技術之一，2019年科學家首次觀測到的“甜甜圈”，即黑洞，就是利用太赫茲天文望遠鏡觀測的，所以太赫茲的應用離我們并不遙遠，無論是在信息，還是醫學，亦或是食品安全等各個領域，它都無處不在，引發了對人們生產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者，來自美國三大光學中心之一——羅切斯特大學的張希成教授。作為太赫茲領域的先驅，他經過多年實踐，成功實現了用水產生太赫茲波，改變了我們對水和太赫茲波兩者關系的認知。

接下來請跟隨Light科學編輯走進太赫茲世界，了解最新、最前沿的科學技術以及其背后的“故事”。

張希成教授1982年畢業于北京大學，1986年在美國布朗大學（羅德島州普羅維登斯市）獲物理學博士學位，1985年在美國麻省理工學院擔任訪問學者，1985-1987年他在美國阿莫科研究中心物理技術部門工作，1987-1991年，在哥倫比亞大學電氣工程系工作。1992年，他加入倫斯勒理工學院。現任羅徹斯特大學光學研究所Parker Givens主任教授，是美國科學促進會（AAAS）、美國物理學會（APS）、電氣與電子工程師協會（IEEE）、美國光學學會（Optica）、國際光學工程學會（SPIE）的會士，俄羅斯科學院外籍院士。張希成教授已獲得29項美國專利，撰寫或合著了300多篇學術論文，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的自由空間太赫茲光束的產生、檢測和應用。

采訪嘉賓：張希成（美國羅切斯特大學）

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射源，太赫茲的發展一直滯后，近年來，隨著科技手段的提高，人們在該領域取得了很多成果。您是國際公認的太赫茲研究領域的先驅者，長期從事THz成像和生物-醫學應用以及超快光子學、光電子學領域的研究，您能簡要向我們介紹一下它的發展歷程及未來的發展趨勢嗎？

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

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

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

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

隨著技術的不斷進步，太赫茲科學不僅對材料表征和識別產生影響，還將在通信、成像、醫學診斷、健康監測、環境控制、化學和生物傳感以及安全、質量監控等領域具有潛能。在21世紀，太赫茲波段的研究是成像和其他跨學科領域轉型發展的最有前途的研究領域之一。

相較于其他低成本方法，在大規模的工業應用上使用典型的太赫茲系統，成本仍然過高。

也許最重要的工業應用是質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，能夠廣泛適應于各種成像，從工業質量控制、生物醫學到安全應用等領域。

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

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吸收劑，因此液態水歷來被認為無法用于太赫茲波輻射的來源。

正常的宇宙物質由四種狀態組成：固體、液體、氣體和等離子體。幾十年來，固體、氣體和等離子體產生太赫茲波已經被證明、使用和理解。然而，液體源產生的太赫茲波明顯不存在，尤其是液態水，這是由于水在太赫茲頻段的強吸收特性。如果可以將液體作為太赫茲源，我們有理由認為它可能具有獨特的屬性。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域內會比同等截面的氣體發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”。液體水能夠產生太赫茲波的成功研究將為太赫茲物質相這一難題畫上完美的最后一筆。新的物理學將被開發來充分表征液體的這種狀態，特別是水和相關材料，以支持新的太赫茲波科學、技術和應用。

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

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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-醫學應用和超快光子學、光電子學領域的應用并致力于在全球范圍內推廣和發展太赫茲科學與技術。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月剛剛去世）領導的IBM Thomas J. Watson研究中心團隊，Martin Nuss領導的貝爾實驗室團隊，David Auston領導的哥倫比亞大學團隊。那時他們還沒有產生和檢測太赫茲波的實驗技術條件。所以他們不得不制造光學元件，并開發一套太赫茲測量系統。起初，他們試圖通過使用光導天線（又稱奧斯頓開關）或電光整流來產生太赫茲波。當我在哥倫比亞大學做研究期間，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下，無偏置半導體晶體發射出脈沖太赫茲波。在興奮之余，我嘗試了很多周圍能找到的材料，包括：電介質、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射材料來理解它們的物理特性。早期我們大多數人使用光電導偶極子天線來檢測太赫茲波。現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年諾貝爾物理學獎獲得者Gerald Mourou合影

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Q：在最新發布的Scholar h指數排名中Light：Science & Applications在世界光學領域排名第二，今年又恰逢Light創刊十周年，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《光學快報》主編兩個任期（2014年-2019年）工作后，我很榮幸擔任了Light期刊的執行主編以及后來的聯合主編。Light期刊對國際光學和光子學界產生了非常重要的影響，我很開心能夠與這個優秀的編輯團隊和員工一起工作。Light在過去10年里取得了令人驚嘆的成績！我們現在面臨著更多的競爭，因為與10年前相比，出現了更多新的光學和光子學類期刊。作為Light的主編，我將確保Light繼續為光學界人士提供一流的平臺和服務，不斷吸引并發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所編輯部

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Q：您認為身為導師應該如何培養學生？

A：作為導師不應該只是簡單地把培養和教育學生當做一份工作。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生。要讓他們學會摸索著成長，給他們發展的自由，信任他們，在他們犯錯時要能夠鼓勵他們（我相信從失敗中學習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張杰校長合影（攝于2013年紐約羅切斯特大學畢業典禮）

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Q：您和您的課題組創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，填補了液態太赫茲源的空白，具有非常重要的意義。在實驗的過程中，遇到失敗時，您是如何調整心態的？有什么趣事能與我們分享一下嗎？

A：大約14年前，我建議小組的學生和研究人員考慮嘗試使用飛秒激光從液態水中產生太赫茲波。按愛因斯坦系數關系所說，如果一個原子有很強的吸收，那么通過愛因斯坦系數關系（A和B，它們成正比），它也應該有很強的發射性。由于水分子具有很強的吸收性，因此它可以具有很強的發射性。雖然原理說得通，但是，我們已經嘗試了10多年，一直無法去證明。幾年前，我有一個華中科技大學的學生，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，他突然發現了可能的信號，隨后我們對實驗進行了優化，此外我們還聘請了一名博士后，他是來自中國科學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。同年我們組發表了關于液態水能產生太赫茲波的文章，這也是世界上第一次關于此方面的報道。現在，鄂軼文博士已經成為了太赫茲液體光子學領域的杰出科學家。

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

A：是的，我已經做了500多場講座或演講。我認為這也是一種社會服務，在達到一定的年齡掌握一定的經驗后，應該為社會服務。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勢，但是它的缺點是需要花費很多時間，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域，不做研究會很無聊。我很喜歡小動物，喜歡園藝。在做科學研究時，最快樂的時光就是有新發現的時候，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

對職業影響較大的人：

我是在北京21中學讀的高中，班主任兼任數學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該如何去“教”，物理老師教會了我如何去理解科學。

對個人成長影響較大的人：

我的父親張帆當了30多年的中國新聞社總編輯，他對工作兢兢業業。步他的后塵，我現在也擔任幾個國際科學期刊的主編。當然，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參加女兒的畢業典禮

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Q：據我所知，您的妻子非常支持您的科研事業發展，能舉幾個例子么？如果請您對她說一句話來表達您的心情，您想對她說什么？

A：我的妻子是我強有力的支持者，鼓勵我要在事業上志存高遠。“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：我經常告訴我的學生，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科學編輯 |

王卉，現任中國科學院長春光學精密機械與物理研究所（長春光機所）國際合作處副處長，主要從事國際交流，科學傳播，國際人才合作等工作；曾任長春光機所與自然出版集團合作期刊 Light: Science & Applications的創刊英文編輯，在《編輯學報》、《國際人才交流》、 Light: Science & Applications等期刊發表文章20余篇，并應SPIE邀請在SPIE Women in Optics發表文章。她是Rose in Science活動發起人，也是iCANX Story（大師故事）欄目的共同發起人兼主播，曾采訪多位國際知名科學家，如諾貝爾物理學獎獲得者Donna Strickland、諾貝爾化學獎獲得者Jean-Marie Lehn，德國物理學會第一任女主席Johanna Stachel，IEEE光子學協會主席Carmen Menoni，澳大利亞科學院院士Chennupati Jagadish，英國皇家工程院院士李琳，埃尼獎首位華人獲獎者王中林等。

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