高妍+毛艷玲

只需一秒，即可搞定人體安全檢查，避免了機(jī)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(jù)織物的反應(yīng)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(chǎn)品無所遁形。

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正在幫助研究人員實現(xiàn)這些神奇應(yīng)用的，是一種叫做太赫茲波的電磁波譜。它的應(yīng)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(dá)、大容量的通信網(wǎng)絡(luò)和高靈敏光譜檢測危險化學(xué)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(yuǎn)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(xué)和光子學(xué)的優(yōu)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(qū)間。

事實上，地球上的一切生命，有機(jī)物、無機(jī)物等都會因分子或原子的熱振動產(chǎn)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(fā)的原因，是缺乏高效率的發(fā)射源以及靈敏的探測設(shè)備，所以才會出現(xiàn)了“太赫茲空隙”。

近年來，超快激光技術(shù)和半導(dǎo)體集成技術(shù)的發(fā)展，為太赫茲技術(shù)的研究提供了必要的手段，人類對太赫茲的認(rèn)識得以不斷深入，于是關(guān)于太赫茲波的獨(dú)特優(yōu)勢和更廣闊的應(yīng)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(zhì)如化纖、棉布等具有很好的穿透性，大多數(shù)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(yī)學(xué)成像、半導(dǎo)體、環(huán)境監(jiān)測、污損檢測、移動通信、雷達(dá)和天文應(yīng)用等領(lǐng)域具有重要的潛在應(yīng)用價值。

自2000年起，美國、歐盟等發(fā)達(dá)國家設(shè)定了多個專項計劃來推動太赫茲輻射源、檢測技術(shù)和各種應(yīng)用研究的發(fā)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(xué)太赫茲實驗室建立，成為國內(nèi)最早開展太赫茲研究的標(biāo)桿團(tuán)隊之一。為了取得更快發(fā)展，實驗室加大了人才引進(jìn)力度，先后引進(jìn)多名青年研究骨干。張巖，就是在這時候加入，從此闖進(jìn)了一個全新的世界。

交叉融合，謀求創(chuàng)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(xué)經(jīng)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(xué)應(yīng)用光學(xué)研究所任洪堡研究員，從事數(shù)字全息重建算法的研究。他提出了利用相位恢復(fù)算法來進(jìn)行數(shù)字全息重建的新方案，得到了同行的重視和肯定。這部分內(nèi)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(jīng)出版發(fā)行。

2001—2002年，張巖在香港理工大學(xué)電子工程系從事光纖氣體傳感器研究。他將激光內(nèi)腔光譜儀同光纖光學(xué)相結(jié)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(fù)用方法，推進(jìn)了光纖內(nèi)腔傳感器的應(yīng)用。這部分內(nèi)容作為科學(xué)出版社出版的《光纖傳感技術(shù)新進(jìn)展》一書中的一章，已經(jīng)出版發(fā)行。

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

而在更早之前，張巖的博士和碩士學(xué)位分別完成于中科院物理研究所和哈爾濱工業(yè)大學(xué)。在這個階段，他跟隨導(dǎo)師開展了利用光學(xué)分?jǐn)?shù)傅立葉變換進(jìn)行信息處理的研究，促進(jìn)了分?jǐn)?shù)傅立葉變換在光學(xué)信息處理領(lǐng)域中的應(yīng)用，是我國最早開展光學(xué)分?jǐn)?shù)傅立葉變換的研究學(xué)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(zhuǎn)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(wù)、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(zhǔn)一個方向做科研，二是回國做點貢獻(xiàn)，不辜負(fù)老師和國家的培養(yǎng)。加入首都師范大學(xué)太赫茲實驗室，是博士階段導(dǎo)師楊國楨院士搭橋。張巖說，當(dāng)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(jīng)過深入了解和分析，他鎖定太赫茲焦平面成像技術(shù)?！拔乙郧暗难芯慷己统上裣嚓P(guān)，這能發(fā)揮我的優(yōu)勢，而且要想做好學(xué)問，第一是能夠把所學(xué)交叉融合，第二是要走特色之路?！?/p>

據(jù)介紹，太赫茲焦平面成像技術(shù)融合了太赫茲技術(shù)、光學(xué)相干層析成像技術(shù)、數(shù)字全息技術(shù)等，是典型的交叉學(xué)科方向，且國內(nèi)當(dāng)時無人從事這項研究，正好符合張巖的要求。

科學(xué)研究的路從來都不是一帆風(fēng)順的，尤其是在當(dāng)時仍幾乎是一片“處女地”的太赫茲領(lǐng)域?？瞻?，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(zhì)相互作用時呈現(xiàn)出不同于微波和光波的獨(dú)特性質(zhì)，使得太赫茲技術(shù)擁有得天獨(dú)厚的優(yōu)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(shù)，以及相應(yīng)的傳統(tǒng)器件在太赫茲波段的實現(xiàn)與應(yīng)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(xué)人員擇優(yōu)資助等人才項目的資助下，張巖腳踏實地，銳意進(jìn)取，逐步成長為實驗室的核心成員。他組建了自己的團(tuán)隊，帶領(lǐng)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(xué)和微納光電子器件設(shè)計等方面的工作，并在行業(yè)內(nèi)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(lǐng)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(shù)引入太赫茲時間分辨光譜測量系統(tǒng)中，成為國內(nèi)唯一的太赫茲焦平面成像技術(shù)開創(chuàng)者。

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

他們開發(fā)出的太赫茲泵浦成像技術(shù)系統(tǒng)，在國際上獨(dú)一無二……

鎖定超材料，劍指應(yīng)用

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

張巖介紹：“通過調(diào)控亞波長金屬結(jié)構(gòu)與太赫茲波相互作用的特異光學(xué)響應(yīng)，太赫茲超材料和超表面器件已在太赫茲光束整形、導(dǎo)波和調(diào)制方面顯示了巨大的潛力和優(yōu)勢，并可能推動太赫茲光源和探測器的發(fā)展。進(jìn)一步發(fā)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(dá)等應(yīng)用方面產(chǎn)生有益影響。”

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

超材料與傳統(tǒng)材料的區(qū)別在于，傳統(tǒng)材料是先有材料再有應(yīng)用，而超材料是先有應(yīng)用需求，再去設(shè)計材料。超材料技術(shù)是一種材料逆向設(shè)計技術(shù)，是以應(yīng)用為導(dǎo)向的技術(shù)。

2014年9月，首都師范大學(xué)超材料與器件北京市重點實驗室獲得北京市科委的認(rèn)定，成為該校第6個北京市科委認(rèn)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(jīng)帶領(lǐng)團(tuán)隊承擔(dān)了國家973、國家863、國家自然科學(xué)基金委、教育部和北京市項目20多項，發(fā)表SCI收錄論文近100篇，獲批國家發(fā)明專利13項、實用新型專利5項，成果頗豐。

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

在頻譜調(diào)制方面，研究了閉合和劈裂共振環(huán)結(jié)構(gòu)這類頻率選擇表面器件對太赫茲波電偶極共振和環(huán)磁共振模式在不同偏振態(tài)和結(jié)構(gòu)對稱破缺時的調(diào)制；

在金屬超薄超表面光場調(diào)制方面，設(shè)計實現(xiàn)了偏振相位轉(zhuǎn)換調(diào)制天線結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用于聚焦和成像平板透鏡、全息顯示和渦旋光束產(chǎn)生等方面；

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

相關(guān)研究成果發(fā)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(wěn)定運(yùn)行了透射式、反射式太赫茲時域光譜系統(tǒng)和擁有專利的焦平面太赫茲成像系統(tǒng)，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。

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他們的每一步，都在朝應(yīng)用邁進(jìn)，不斷摸索并實踐著一條以應(yīng)用為導(dǎo)向，以需求為出發(fā)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(fù)制的，各有各的妙處。豐富的求學(xué)經(jīng)歷，是張巖成長道路上的獨(dú)有風(fēng)景。張巖說每一段經(jīng)歷，都是一種成長，他感恩并珍惜。

張巖說每一所大學(xué)都帶給他不同的感悟—哈爾濱工業(yè)大學(xué)“規(guī)格嚴(yán)格，功夫到家”的校訓(xùn)教導(dǎo)他為學(xué)行事需認(rèn)真細(xì)致；香港科技大學(xué)和香港理工大學(xué)，讓他體會到了思想開放與包容兼蓄；日本山形大學(xué)的研究經(jīng)歷讓他深切得感受到，精細(xì)才能造就卓越；而在德國的兩所大學(xué)訪學(xué)期間，德國學(xué)者的嚴(yán)謹(jǐn)作風(fēng)也使他深受影響……

回國后加入首都師范大學(xué)物理系，更是收獲良多。作為我國最早開展太赫茲研究的團(tuán)隊之一，首都師范大學(xué)太赫茲實驗室在2005年以“太赫茲科學(xué)技術(shù)的新發(fā)展”為主題的第270次“香山會議”上，被確定為全國太赫茲技術(shù)開放研發(fā)平臺之一，迎來新的發(fā)展機(jī)遇。此后，2006年，該實驗室被正式批準(zhǔn)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(xué)省部共建教育部重點實驗室；2008年獲批中關(guān)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(xué)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(shù)研究中心和無損檢測新技術(shù)北京市工程實驗室……直到今天，實驗室已經(jīng)發(fā)展成為國內(nèi)最好的太赫茲研究基地之一，是國內(nèi)領(lǐng)先并在國際上有重要影響力的太赫茲開放研發(fā)創(chuàng)新平臺。

張巖說，正是因為處在這樣一個優(yōu)質(zhì)平臺上，正是因為有團(tuán)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(yōu)質(zhì)平臺—北京市超材料與器件重點實驗室。他正以領(lǐng)導(dǎo)者的身份，帶領(lǐng)團(tuán)隊成員，充分發(fā)揮學(xué)科優(yōu)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(yīng)的實驗研究。他希望能夠?qū)嶒炇医ㄔO(shè)成為超材料領(lǐng)域的優(yōu)秀科研平臺、人才培養(yǎng)基地和學(xué)術(shù)活動中心，推動超材料與超表面太赫茲調(diào)制器件的發(fā)展與應(yīng)用。

張巖曾在一篇名為《太赫茲超材料和超表面器件的研發(fā)與應(yīng)用》的論文中論述對太赫茲超材料和超表面器件的預(yù)期：“太赫茲技術(shù)領(lǐng)域的不斷發(fā)展催生了對各種新穎超材料和超器件的需求，同時也激發(fā)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(diào)制能力，不僅可以調(diào)制透射光場，亦可用于調(diào)制反射光場以及沿界面?zhèn)鬏數(shù)谋砻娌ü鈭?；利用超材料器件中高品質(zhì)因子形成的強(qiáng)烈的光場局域增強(qiáng)特性，可以開展太赫茲波非線性光學(xué)的研究；進(jìn)一步發(fā)展太赫茲探針?biāo)泶┏上窈吞掌濓@微成像系統(tǒng)，將為研究半導(dǎo)體和/或金屬超材料和超表面器件的機(jī)制與應(yīng)用提供新的手段?！焙喍灾?，潛力無限，未來可期。