2013年9月第7期的Nature Photonics發(fā)表了對(duì)張希成教授的專訪，文章以《閃亮太赫茲源》為題，指出近年來(lái)太赫茲的發(fā)展引人注目，太赫茲波以其優(yōu)勢(shì)正廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。以下是專訪內(nèi)容的中文翻譯。

近年來(lái)，太赫茲源的性能已被顯著地提高，太赫茲輻射的優(yōu)勢(shì)也在不同的領(lǐng)域被證實(shí)。張希成教授在訪談中談到太赫茲科學(xué)的過(guò)去、現(xiàn)在和未來(lái)。

圖為 張希成教授

Q．早期太赫茲科學(xué)是怎樣的？

A．20世紀(jì)80年代末，我在哥倫比亞大學(xué)涉及太赫茲研究時(shí)，美國(guó)僅有三個(gè)研究組在積極地研究利用超短波激光脈沖產(chǎn)生太赫茲脈沖，即：IBM由Daniel Grischkowsky帶領(lǐng)的研究組，貝爾實(shí)驗(yàn)室由Martin Nuss帶領(lǐng)的研究組和哥倫比亞大學(xué)由David Auston帶領(lǐng)的研究組。因?yàn)槟菚r(shí)沒(méi)有已商業(yè)化的產(chǎn)生或探測(cè)寬帶太赫茲波的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，我們不得不制造光學(xué)元件器件并開(kāi)發(fā)一個(gè)太赫茲測(cè)量系統(tǒng)。我們嘗試了用光電導(dǎo)天線（有時(shí)也被稱為Auston開(kāi)關(guān)）和光整流方法產(chǎn)生太赫茲波。在Auston教授實(shí)驗(yàn)室時(shí)，我對(duì)太赫茲輻射是否能穿透光學(xué)上不透明的材料很好奇。我第一次發(fā)現(xiàn)使用飛秒激光激勵(lì)從一個(gè)無(wú)偏壓的半導(dǎo)體硅片輻射出的脈沖太赫茲波。在尋找新的太赫茲產(chǎn)生材料過(guò)程中，我嘗試了許多不同的材料，包括電介質(zhì)、金屬、紙巾、紡織品和木材，基本上包括了每一種我身邊能找到的材料（甚至我的手指）。那時(shí)，我們中的大多數(shù)研究人員都使用光電偶極天線來(lái)探測(cè)太赫茲波。

Q．太赫茲源的發(fā)展過(guò)程中的里程碑是什么？

A．我認(rèn)為有兩個(gè)里程碑：第一個(gè)是證實(shí)了在可見(jiàn)或近紅外波段通過(guò)使用短激光脈沖產(chǎn)生脈沖太赫茲。這個(gè)工作是80年代末90年代初由Gerard Mourou, David Auston, and Dan Grischkowsky首創(chuàng)。第二個(gè)是太赫茲量子串級(jí)激光器的發(fā)展。1997年Federico Capasso的研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)量子串級(jí)激光器產(chǎn)生紅外持續(xù)激光，2002年，Alessandro Tredicucci從量子級(jí)聯(lián)激光器獲得了紅外持續(xù)激光。不久之后，麻省理工學(xué)院的胡青教授制造了一個(gè)更好用更靈活的太赫茲量子串級(jí)激光器。該發(fā)明打開(kāi)了工業(yè)應(yīng)用之門，并且推動(dòng)了許多研究的進(jìn)步和發(fā)展。

Q．下一個(gè)里程碑可能是什么？

A．高強(qiáng)度太赫茲源的發(fā)展很可能成為第三個(gè)里程碑。高蜂值功率的太赫茲波，它可以由傾斜的光學(xué)波陣面入射到LiNbO3或氣體中，雙色激光混合產(chǎn)生等離子體輻射得到。這個(gè)情況為研究基礎(chǔ)太赫茲科學(xué)提供了新的機(jī)會(huì)。我們當(dāng)前不能預(yù)測(cè)高強(qiáng)度太赫茲照射下會(huì)發(fā)生什么；盡管如此，它已經(jīng)使研究人員興奮，并為他們?cè)谘芯恐刑峁┝嗽S多的猜測(cè)。如太赫茲成像是當(dāng)前基于線性回應(yīng)，但研究人員對(duì)被太赫茲輻射引導(dǎo)的非線性影響可能在太赫茲成像中被開(kāi)發(fā)有很大的興趣。如果非線性太赫茲成像能提供有用的信息是不能被常見(jiàn)的太赫茲成像所獲得，高強(qiáng)度的太赫茲輻射的使用將推動(dòng)非線性太赫茲光譜儀。為了產(chǎn)生場(chǎng)強(qiáng)為100KV·cm-1或更高的太赫茲波，那么當(dāng)前成為必需的：要么申請(qǐng)光束時(shí)間在國(guó)家同步加速器設(shè)備（如在Argonne和Brookhaven），要么購(gòu)買一個(gè)商業(yè)上可靠，但非常貴的激光放大系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)只有少數(shù)研究組能承擔(dān)。因此真正的里程碑將是降低光纖激光器成本，或開(kāi)發(fā)一種易用的激光系統(tǒng)來(lái)產(chǎn)生高強(qiáng)度太赫茲波。

Q．太赫茲成像有哪些特征？

A．太赫茲成像能被視為X射線和紅外的一個(gè)補(bǔ)充。對(duì)于某些材料，太赫茲比X射線或紅外表現(xiàn)得更好。舉個(gè)例子，對(duì)于類似低密度結(jié)構(gòu)和隔熱層的低對(duì)比度材料而言，太赫茲輻射比X射線成像得到的振幅和相位相對(duì)比更高。而且對(duì)于一些光學(xué)上不透光的材料，如紙、塑膠和布，太赫茲輻射穿透力更好。因此，許多機(jī)場(chǎng)人體掃描器使用毫米波成像，這類掃描器的頻率正在拓展至亞太赫茲和太赫茲范圍。盡管太赫茲波幅度的帶寬比紅外光更窄，某些材料（如晶體或微晶）仍有分子共振和/或聲子共振。如爆炸的黑索金能被太赫茲光譜百分之百鑒定出來(lái)。

Q．太赫茲輻射在工業(yè)上有哪些新興應(yīng)用？

A．可能最有前途的工業(yè)應(yīng)用是質(zhì)量控制、缺陷檢查和無(wú)損探測(cè)。太赫茲輻射能穿透在可見(jiàn)和紅外波不透明的材料，空間分辨率比微波高，這個(gè)特點(diǎn)使太赫茲波成為唯一適合工業(yè)品質(zhì)控制、生物醫(yī)學(xué)和安檢等應(yīng)用的成像技術(shù)。我曾經(jīng)和300多家公司聯(lián)系過(guò)，80%以上的公司表示有對(duì)無(wú)損探測(cè)方面的需求。

Q．太赫茲輻射未來(lái)前景？

A．一些工業(yè)太赫茲系統(tǒng)能被用于國(guó)防安檢和質(zhì)量控制應(yīng)用，而且太赫茲通訊體系為安全提供史無(wú)前例的頻帶寬度，超高清晰度的無(wú)線視頻。太赫茲傳感系統(tǒng)對(duì)環(huán)境研究和空間科學(xué)很有吸引力，太赫茲成像醫(yī)療系統(tǒng)能用來(lái)診斷、治療某些癌癥等疾病。太赫茲/遠(yuǎn)紫外線系統(tǒng)可以研究分子水平的動(dòng)態(tài)成像。亞洲和歐洲已投入了大量的資金到太赫茲科學(xué)與技術(shù)研究中，并且已建成了幾個(gè)主要的國(guó)家項(xiàng)目和國(guó)際研究中心。例如X射線和太赫茲同步源和一個(gè)具有強(qiáng)太赫茲源的非線性太赫茲光譜儀一個(gè)新概念是將結(jié)合太赫茲光子、電子和等離子體技術(shù)，發(fā)展多尺度的太赫茲光子、電子和等離子體元件，能大幅降低新型太赫茲系統(tǒng)的成本，太赫茲技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療、安全和工業(yè)領(lǐng)域的時(shí)代即將到來(lái)。

作者：成曉、羅欽（翻譯）    來(lái)源：學(xué)術(shù)交流辦公室