《科技创新与品牌》杂志社人物志

解码太赫兹

   

    太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波谱,介于微波和远红外波之间,其低频率段与微波相重合,而在高频率段则与红外光波相重合,兼具了电子学和光子学的优势。太赫兹波是电磁波谱中唯一没有获得较全面研究并很好加以利用的最后一个波谱区间。
    事实上,地球上的一切生命,有机物、无机物等都会因分子或原子的热振动产生太赫兹波,天然的太赫兹波充满了我们的生活。而其长久未被全面研究和开发的原因,是缺乏高效率的发射源以及灵敏的探测设备,所以才会出现了“太赫兹空隙”。
近年来,超快激光技术和半导体集成技术的发展,为太赫兹技术的研究提供了必要的手段,人类对太赫兹的认识得以不断深入,于是关于太赫兹波的独特优势和更广阔的应用空间不断被挖掘出来—
    太赫兹波的单光子能量低,且对非极性分子组成的物质如化纤、棉布等具有很好的穿透性,大多数生物大分子的特征吸收峰都落在太赫兹波段,因此,太赫兹波在安全检查、医学成像、半导体、环境监测、污损检测、移动通信、雷达和天文应用等领域具有重要的潜在应用价值。
    自2000年起,美国、欧盟等发达国家设定了多个专项计划来推动太赫兹辐射源、检测技术和各种应用研究的发展。在亚洲,韩国、新加坡、日本等国也都积极开展了这方面的研究工作。同一时期的中国,太赫兹研究也开始起步。
2001年,首都师范大学太赫兹实验室建立,成为国内最早开展太赫兹研究的标杆团队之一。为了取得更快发展,实验室加大了人才引进力度,先后引进多名青年研究骨干。张岩,就是在这时候加入,从此闯进了一个全新的世界。

交叉融合,谋求创新

    张岩回国是2003年11月。在这之前,他拥有丰富而扎实的研究和求学经历—
2002—2003年,在德国洪堡基金的资助下,张岩在德国斯图加特大学应用光学研究所任洪堡研究员,从事数字全息重建算法的研究。他提出了利用相位恢复算法来进行数字全息重建的新方案,得到了同行的重视和肯定。这部分内容作为美国Nova Science出版社的新书“New Developments in Lasers and Electro-Optics Research”中的一章,已经出版发行。
    2001—2002年,张岩在香港理工大学电子工程系从事光纤气体传感器研究。他将激光内腔光谱仪同光纤光学相结合,制成了高灵敏度的光纤气体传感器,灵敏度提高了100倍,并提出了多种复用方法,推进了光纤内腔传感器的应用。这部分内容作为科学出版社出版的《光纤传感技术新进展》一书中的一章,已经出版发行。
    1999—2001年,张岩在日本学术振兴会博士后基金的资助下,在日本山形大学工学部从事生物成像研究。他提出了多种提高光学相干层析分辨率的方法,主要工作发表在Opt. Lett.上,得到了国际同行的重视,并被应用在实际仪器上。
而在更早之前,张岩的博士和硕士学位分别完成于中科院物理研究所和哈尔滨工业大学。在这个阶段,他跟随导师开展了利用光学分数傅立叶变换进行信息处理的研究,促进了分数傅立叶变换在光学信息处理领域中的应用,是我国最早开展光学分数傅立叶变换的研究学者之一。
    不难看出,张岩的科研道路很顺利,所获成果颇多,但研究方向的不断转换却弊大于利。他自己也在困惑:在国外漂来漂去,研究方向换来换去,总感觉是为别人服务、为别人打工,还是想做点自己的事情。
    于是,张岩决定回国,一是找个地方踏踏实实地瞄准一个方向做科研,二是回国做点贡献,不辜负老师和国家的培养。加入首都师范大学太赫兹实验室,是博士阶段导师杨国桢院士搭桥。张岩说,当时对太赫兹了解得很少,可以说是从零开始。
面对未知的世界,方向比努力更重要。在研究方向的选择上,张岩堪称一个谋求交叉融合的专家。经过深入了解和分析,他锁定太赫兹焦平面成像技术。“我以前的研究都和成像相关,这能发挥我的优势,而且要想做好学问,第一是能够把所学交叉融合,第二是要走特色之路。”
    据介绍,太赫兹焦平面成像技术融合了太赫兹技术、光学相干层析成像技术、数字全息技术等,是典型的交叉学科方向,且国内当时无人从事这项研究,正好符合张岩的要求。
    科学研究的路从来都不是一帆风顺的,尤其是在当时仍几乎是一片“处女地”的太赫兹领域。空白,意味着艰难。
    张岩介绍,太赫兹波在电磁波谱中的特殊位置,决定了太赫兹波与物质相互作用时呈现出不同于微波和光波的独特性质,使得太赫兹技术拥有得天独厚的优势;同时也是因为这个特殊位置,使成熟的高频微波和光电子技术,以及相应的传统器件在太赫兹波段的实现与应用受到限制。
    可以这么说,研究太赫兹就像面对一锅麻辣鲜香的水煮鱼,好吃,但刺多、“难”吃。剔掉鱼刺,才能大饱口福。张岩这十来年的研究,就是不断“剔掉鱼刺、挖出鱼肉”的过程。
    在北京市科技新星计划、北京市留学人员择优资助等人才项目的资助下,张岩脚踏实地,锐意进取,逐步成长为实验室的核心成员。他组建了自己的团队,带领他们专注开展太赫兹波谱与成像、太赫兹波段表面等离子光学和微纳光电子器件设计等方面的工作,并在行业内崭露头角。
    他们在太赫兹成像方面提出了多波长成像,偏振成像,实时层析成像等多种太赫兹成像方法,多篇论文被太赫兹领域的知名期刊收录。到目前为止,仅张岩一人,就有160篇文章收录在SCI索引中,论文被他人引用1800次,H因子为23。
他们将太赫兹焦平面成像技术引入太赫兹时间分辨光谱测量系统中,成为国内唯一的太赫兹焦平面成像技术开创者。
他们研发出的太赫兹脉冲焦平面成像系统,可以同时获得光场的振幅、相位、频率和偏振信息,实现精准测量,为团队随后开展的超材料和器件性能研究提供了强有力的保障。
    他们开发出的太赫兹泵浦成像技术系统,在国际上独一无二……

锁定超材料,剑指应用

    随着研究的不断深入,张岩逐渐将研究重点转移到太赫兹波段的超材料和超表面器件研究,更加贴近应用。
    张岩介绍:“通过调控亚波长金属结构与太赫兹波相互作用的特异光学响应,太赫兹超材料和超表面器件已在太赫兹光束整形、导波和调制方面显示了巨大的潜力和优势,并可能推动太赫兹光源和探测器的发展。进一步发展和丰富太赫兹超材料和超表面器件,也将对太赫兹波在传感、通信和雷达等应用方面产生有益影响。”
所谓超材料(Metamaterial),是一种具有传统材料所不具备的超常物理性质的人工设计的特种复合材料。通过在材料关键物理尺度上的结构有序设计,突破某些表观自然规律的限制,获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能,从而实现定制化功能的需求。
    超材料与传统材料的区别在于,传统材料是先有材料再有应用,而超材料是先有应用需求,再去设计材料。超材料技术是一种材料逆向设计技术,是以应用为导向的技术。
    2014年9月,首都师范大学超材料与器件北京市重点实验室获得北京市科委的认定,成为该校第6个北京市科委认定的重点实验室/工程中心。
事实上,作为实验室主任,张岩在过去的三年里,已经带领团队承担了国家973、国家863、国家自然科学基金委、教育部和北京市项目20多项,发表SCI收录论文近100篇,获批国家发明专利13项、实用新型专利5项,成果颇丰。
    近年,张岩带领课题组以实时全光太赫兹调制为目标,在太赫兹超材料、超表面以及主动调制器件三方面开展了对太赫兹波频谱、偏振、振幅和相位调制的理论和实验研究工作,形成了以结合表面等离子体波理论和衍射光学元件设计方法为特色的阶段性成果。
    在频谱调制方面,研究了闭合和劈裂共振环结构这类频率选择表面器件对太赫兹波电偶极共振和环磁共振模式在不同偏振态和结构对称破缺时的调制;
在金属超薄超表面光场调制方面,设计实现了偏振相位转换调制天线结构,并应用于聚焦和成像平板透镜、全息显示和涡旋光束产生等方面;
在光控太赫兹波振幅型调制器方面,研究了光泵浦半导体硅片中载流子迁移致电导率的变化和对太赫兹波透过率的调制,并应用于菲涅耳波带片、全息显示和涡旋光束产生等方面。
    相关研究成果发表在Advanced Optical Materials等期刊上,受到了审稿人和编辑的高度评价,得到了SCIENCE综述论文的引用。
同时,在开展这些实验研究的过程中,相继建成和稳定运行了透射式、反射式太赫兹时域光谱系统和拥有专利的焦平面太赫兹成像系统,满足了对光谱测量、透射光场和表面波光场测量以及偏振测量的需求。
…………
    他们的每一步,都在朝应用迈进,不断摸索并实践着一条以应用为导向,以需求为出发点的新路。

感恩过往,期许未来

    正如这世界上没有两片相同的叶子,每个人的成功也都是不可复制的,各有各的妙处。丰富的求学经历,是张岩成长道路上的独有风景。张岩说每一段经历,都是一种成长,他感恩并珍惜。
    张岩说每一所大学都带给他不同的感悟—哈尔滨工业大学“规格严格,功夫到家”的校训教导他为学行事需认真细致;香港科技大学和香港理工大学,让他体会到了思想开放与包容兼蓄;日本山形大学的研究经历让他深切得感受到,精细才能造就卓越;而在德国的两所大学访学期间,德国学者的严谨作风也使他深受影响……
    回国后加入首都师范大学物理系,更是收获良多。作为我国最早开展太赫兹研究的团队之一,首都师范大学太赫兹实验室在2005年以“太赫兹科学技术的新发展”为主题的第270次“香山会议”上,被确定为全国太赫兹技术开放研发平台之一,迎来新的发展机遇。此后,2006年,该实验室被正式批准为北京市“太赫兹波谱与成像”重点实验室;2007年获批太赫兹光电子学省部共建教育部重点实验室;2008年获批中关村开放实验室;2010年通过教育部验收,正式成为太赫兹光电子学教育部重点实验室;2011年获批北京市太赫兹与红外工程技术研究中心和无损检测新技术北京市工程实验室……直到今天,实验室已经发展成为国内最好的太赫兹研究基地之一,是国内领先并在国际上有重要影响力的太赫兹开放研发创新平台。
    张岩说,正是因为处在这样一个优质平台上,正是因为有团队的支持、师长的教诲,自己才得以尽情施展才华。
    而如今,张岩也正在积极打造另一个优质平台—北京市超材料与器件重点实验室。他正以领导者的身份,带领团队成员,充分发挥学科优势和特点,积极开展超材料与器件的基本物理理论以及相应的实验研究。他希望能够将实验室建设成为超材料领域的优秀科研平台、人才培养基地和学术活动中心,推动超材料与超表面太赫兹调制器件的发展与应用。
    张岩曾在一篇名为《太赫兹超材料和超表面器件的研发与应用》的论文中论述对太赫兹超材料和超表面器件的预期:“太赫兹技术领域的不断发展催生了对各种新颖超材料和超器件的需求,同时也激发新的研究兴趣。利用超表面器件对太赫兹波的振幅和相位调制能力,不仅可以调制透射光场,亦可用于调制反射光场以及沿界面传输的表面波光场;利用超材料器件中高品质因子形成的强烈的光场局域增强特性,可以开展太赫兹波非线性光学的研究;进一步发展太赫兹探针隧穿成像和太赫兹显微成像系统,将为研究半导体和/或金属超材料和超表面器件的机制与应用提供新的手段。”简而言之,潜力无限,未来可期。