Light人物：专访罗切斯特大学张希成教授

| 编者按 | 

随着5G、6G被提上日程，太赫兹技术也逐渐进入了大众的视野，成为人类认识世界的“第三只眼睛”。

太赫兹以其独特的属性被评为改变未来世界的十大技术之一，2019年科学家首次观测到的“甜甜圈”，即黑洞，就是利用太赫兹天文望远镜观测的，所以太赫兹的应用离我们并不遥远，无论是在信息，还是医学，亦或是食品安全等各个领域，它都无处不在，引发了对人们生产及生活方式的重大变革。

而今天做客“Light人物”的嘉宾便是多年从事太赫兹研究的国际知名学者，来自美国三大光学中心之一——罗切斯特大学的张希成教授。作为太赫兹领域的先驱，他经过多年实践，成功实现了用水产生太赫兹波，改变了我们对水和太赫兹波两者关系的认知。

接下来请跟随Light科学编辑走进太赫兹世界，了解最新、最前沿的科学技术以及其背后的“故事”。

张希成教授1982年毕业于北京大学，1986年在美国布朗大学（罗德岛州普罗维登斯市）获物理学博士学位，1985年在美国麻省理工学院担任访问学者，1985-1987年他在美国阿莫科研究中心物理技术部门工作，1987-1991年，在哥伦比亚大学电气工程系工作。1992年，他加入伦斯勒理工学院。现任罗彻斯特大学光学研究所Parker Givens主任教授，是美国科学促进会（AAAS）、美国物理学会（APS）、电气与电子工程师协会（IEEE）、美国光学学会（Optica）、国际光学工程学会（SPIE）的会士，俄罗斯科学院外籍院士。张希成教授已获得29项美国专利，撰写或合著了300多篇学术论文，H影响因子94。他的研究兴趣主要围绕太赫兹波，又称“T射线”，它是存在于微波和红外波之间的频率范围。他的研究重点是具有超快光学的自由空间太赫兹光束的产生、检测和应用。

采访嘉宾：张希成（美国罗切斯特大学）

采访人：王卉

翻译：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：太赫兹科学是研究电磁波中的某一段，这段电磁波能“看透”许多东西。由于缺少探测器和发射源，太赫兹的发展一直滞后，近年来，随着科技手段的提高，人们在该领域取得了很多成果。您是国际公认的太赫兹研究领域的先驱者，长期从事THz成像和生物-医学应用以及超快光子学、光电子学领域的研究，您能简要向我们介绍一下它的发展历程及未来的发展趋势吗？

A：一般来说，太赫兹 (THz) 频段的频率范围是0.3–10 THz。这是一个蕴藏着很多科学潜能的光谱窗口。受目前技术发展的限制，长期以来，太赫兹频段一直被认为是电磁频谱中最后一块未被人类充分认识和应用的波段，但开发的时机已经成熟。由于其本身的特殊性，太赫兹波具有很大的应用前景，包括：小型电子加速器、非接触式探针、非线性光学以及宽带材料等。太赫兹波段大分子的频率特征一直受到太赫兹领域研究人员的广泛关注。

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Q：随着太赫兹研究的逐步深入，太赫兹频谱与技术对物理、化学、生物、电子等领域的重要性逐渐凸显，其应用也涵盖社会经济诸多方面，比如：太赫兹安检仪、生物成像、穿墙雷达等。为什么太赫兹能够被大面积使用？未来它将在哪些领域大放异彩？

A：太赫兹波是指频率在0.3 THz到10 THz（1mm-30 μm波长）范围内的电磁辐射，被认为是下一个前沿科技领域。太赫兹波介于微波波段的终点与红外线波段的起点之间。与相对发达成熟的微波和光频科学技术相比，太赫兹波段的基础性研究、新措施以及其先进的传感与成像技术的发展还有待探索。

从历史上看，太赫兹技术主要在天文学界用于研究宇宙远红外辐射的背景，在激光聚变学界用于等离子体的诊断。自20世纪80年代末太赫兹时域光谱仪出现以来（特别是近年来），随着高效太赫兹辐射源和探测技术的出现，为了解太赫兹的基础科学提供了新契机。

随着技术的不断进步，太赫兹科学不仅对材料表征和识别产生影响，还将在通信、成像、医学诊断、健康监测、环境控制、化学和生物传感以及安全、质量监控等领域具有潜能。在21世纪，太赫兹波段的研究是成像和其他跨学科领域转型发展的最有前途的研究领域之一。

相较于其他低成本方法，在大规模的工业应用上使用典型的太赫兹系统，成本仍然过高。

也许最重要的工业应用是质量控制和缺陷检测的无损评估。之前大约有上百家公司与我联系，其中80%以上的公司都提出对无损评估的需求。例如：太赫兹辐射可以穿透光学和红外不透明材料，并且它比微波辐射具有更高的空间分辨率，能够广泛适应于各种成像，从工业质量控制、生物医学到安全应用等领域。

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Q：我们知道，固体、气体和等离子体能够被用于产生太赫兹波，但是您提出用飞秒强激光脉冲使液态水产生高强度和宽带的太赫兹波，您是如何想到这一创新点的？相比于前三者形态，液态有什么优势？

A：众所周知，水是一种最常见的液体，它在太赫兹频段是一种强吸收剂，因此液态水历来被认为无法用于太赫兹波辐射的来源。

正常的宇宙物质由四种状态组成：固体、液体、气体和等离子体。几十年来，固体、气体和等离子体产生太赫兹波已经被证明、使用和理解。然而，液体源产生的太赫兹波明显不存在，尤其是液态水，这是由于水在太赫兹频段的强吸收特性。如果可以将液体作为太赫兹源，我们有理由认为它可能具有独特的属性。液体的分子密度很高，接近于固体的分子密度，这意味着光在一定区域内会比同等截面的气体发生更多的分子相互作用，这使得液体能够成为研究高能量密度等离子体的“候选者”。液体水能够产生太赫兹波的成功研究将为太赫兹物质相这一难题画上完美的最后一笔。新的物理学将被开发来充分表征液体的这种状态，特别是水和相关材料，以支持新的太赫兹波科学、技术和应用。

图1：固体、气体和等离子体这三种状态已被用来产生太赫兹波，而使用液体作为太赫兹源是一个真正的挑战

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Q：自1988年起，您便开始从事THz成像研究及其在生物-医学应用和超快光子学、光电子学领域的应用并致力于在全球范围内推广和发展太赫兹科学与技术。您为什么会选择这个研究方向？从事太赫兹研究多年，您眼中的太赫兹是什么样的？

A：20世纪80年代，美国有三个小组积极从事用超短激光控制脉冲太赫兹波的研究，包括：Dan Grischkowsky（今年6月刚刚去世）领导的IBM Thomas J. Watson研究中心团队，Martin Nuss领导的贝尔实验室团队，David Auston领导的哥伦比亚大学团队。那时他们还没有产生和检测太赫兹波的实验技术条件。所以他们不得不制造光学元件，并开发一套太赫兹测量系统。起初，他们试图通过使用光导天线（又称奥斯顿开关）或电光整流来产生太赫兹波。当我在哥伦比亚大学做研究期间，我非常好奇太赫兹波是否具有透视能力。我观察到在飞秒激光束激发下，无偏置半导体晶体发射出脉冲太赫兹波。在兴奋之余，我尝试了很多周围能找到的材料，包括：电介质、金属、纸巾、衣服、木材，甚至是我的手指、我试图寻找新的太赫兹波发射材料来理解它们的物理特性。早期我们大多数人使用光电导偶极子天线来检测太赫兹波。现在他们有很多不同的方法来检测太赫兹波，尤其是使用短脉冲激光器。

图2：张希成教授与2018年诺贝尔物理学奖获得者Gerald Mourou合影

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Q：在最新发布的Scholar h指数排名中Light：Science & Applications在世界光学领域排名第二，今年又恰逢Light创刊十周年，您作为Light期刊主编有什么期望与建议吗？能与我们分享一下您与Light期刊的故事吗？

A：在我完成《光学快报》主编两个任期（2014年-2019年）工作后，我很荣幸担任了Light期刊的执行主编以及后来的联合主编。Light期刊对国际光学和光子学界产生了非常重要的影响，我很开心能够与这个优秀的编辑团队和员工一起工作。Light在过去10年里取得了令人惊叹的成绩！我们现在面临着更多的竞争，因为与10年前相比，出现了更多新的光学和光子学类期刊。作为Light的主编，我将确保Light继续为光学界人士提供一流的平台和服务，不断吸引并发表最新最前沿的科技论文。

图3：2012年张希成教授访问长春光机所编辑部

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Q：您认为身为导师应该如何培养学生？

A：作为导师不应该只是简单地把培养和教育学生当做一份工作。在我看来，这更是一种激情。要像对待自己孩子一样来对待学生。要让他们学会摸索着成长，给他们发展的自由，信任他们，在他们犯错时要能够鼓励他们（我相信从失败中学习是成长的一种好方式）。

图4：2013年张希成教授与上海交通大学张杰校长合影（摄于2013年纽约罗切斯特大学毕业典礼）

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Q：您和您的课题组创新性地利用脉冲激光泵浦在流动的水膜中观察到了太赫兹波出射，填补了液态太赫兹源的空白，具有非常重要的意义。在实验的过程中，遇到失败时，您是如何调整心态的？有什么趣事能与我们分享一下吗？

A：大约14年前，我建议小组的学生和研究人员考虑尝试使用飞秒激光从液态水中产生太赫兹波。按爱因斯坦系数关系所说，如果一个原子有很强的吸收，那么通过爱因斯坦系数关系（A和B，它们成正比），它也应该有很强的发射性。由于水分子具有很强的吸收性，因此它可以具有很强的发射性。虽然原理说得通，但是，我们已经尝试了10多年，一直无法去证明。几年前，我有一个华中科技大学的学生，他叫金琪。在我的几个博士生和博士后都放弃尝试这个试验后，我希望他能试一试。我们先后尝试了使用薄水膜、流动的水、自由水。一开始，我们并没有看到任何希望，他也差点像同组的其他人一样打算放弃。但是，最后他还是决定再多花1~2周时间去研究它。就在他打算放弃的前一天，他突然发现了可能的信号，随后我们对实验进行了优化，此外我们还聘请了一名博士后，他是来自中国科学院物理研究所的鄂轶文博士。2017年我们的实验终于取得了成功。同年我们组发表了关于液态水能产生太赫兹波的文章，这也是世界上第一次关于此方面的报道。现在，鄂轶文博士已经成为了太赫兹液体光子学领域的杰出科学家。

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Q：您是AAAS（美国科学促进会）、APS（美国物理学会）、IEEE（电气和电子工程师协会）、 OPTICA（美国光学学会）、SPIE（国际光学工程学会）的会士或成员，以及俄罗斯科学院外籍院士，积极参与各类国际学术组织。此外，您还访问各类研究所、大学、企业，做讲座、报告等，您为什么乐于参与这些学术公共事务活动？您的收获有哪些？

A：是的，我已经做了500多场讲座或演讲。我认为这也是一种社会服务，在达到一定的年龄掌握一定的经验后，应该为社会服务。而额外的收获就是美食，我参与这些活动的时候需要有很多的旅行，而会议期间经常会提供丰富的美食。

面对面互动交流是线下会议的一个明显的优势，但是它的缺点是需要花费很多时间，倒时差也是一件令人不悦的事。

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Q：在您眼中，科研的魅力是什么？您从科研生活中收获了什么？

A：对我而言，我喜欢去探索未知的领域，不做研究会很无聊。我很喜欢小动物，喜欢园艺。在做科学研究时，最快乐的时光就是有新发现的时候，那是一种收获的喜悦。

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Q：迄今为止，对您影响最大的人是谁？为什么？

A：大致可以分为两种

对职业影响较大的人：

我是在北京21中学读的高中，班主任兼任数学老师鲁梅琛和物理老师冀明理对我影响非常大。班主任的激情让我体会到一名教师应该如何去“教”，物理老师教会了我如何去理解科学。

对个人成长影响较大的人：

我的父亲张帆当了30多年的中国新闻社总编辑，他对工作兢兢业业。步他的后尘，我现在也担任几个国际科学期刊的主编。当然，我的夫人是我生活中最重要的人。

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Q：您平时有什么爱好吗？您是如何平衡工作和生活的？

A：我喜欢旅行，喜欢美食，我也喜欢园艺，这些对身体健康非常有益。

图5：张希成教授在加拿大班夫国家公园

图6：张希成教授的家人在罗彻斯特大学参加女儿的毕业典礼

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Q：据我所知，您的妻子非常支持您的科研事业发展，能举几个例子么？如果请您对她说一句话来表达您的心情，您想对她说什么？

A：我的妻子是我强有力的支持者，鼓励我要在事业上志存高远。“我爱你和谢谢你”是我一生都想对她说的话。

图7：张希成教授和妻子结婚40年，一起度过美好而难忘的时光

图8：大约10年来，张教授和妻子每年六月都会到俄罗斯圣彼得堡体验白夜

图9：张教授和妻子在院子里的合影

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Q：您对年轻的科研工作者有什么建议和期待？

A：我经常告诉我的学生，如果你努力尝试了，你有可能得不到你想要的。但是，如果你都没有努力去尝试，那么你一定不会得到你想要的。

| Light科学编辑 |

王卉，现任中国科学院长春光学精密机械与物理研究所（长春光机所）国际合作处副处长，主要从事国际交流，科学传播，国际人才合作等工作；曾任长春光机所与自然出版集团合作期刊 Light: Science & Applications的创刊英文编辑，在《编辑学报》、《国际人才交流》、 Light: Science & Applications等期刊发表文章20余篇，并应SPIE邀请在SPIE Women in Optics发表文章。她是Rose in Science活动发起人，也是iCANX Story（大师故事）栏目的共同发起人兼主播，曾采访多位国际知名科学家，如诺贝尔物理学奖获得者Donna Strickland、诺贝尔化学奖获得者Jean-Marie Lehn，德国物理学会第一任女主席Johanna Stachel，IEEE光子学协会主席Carmen Menoni，澳大利亚科学院院士Chennupati Jagadish，英国皇家工程院院士李琳，埃尼奖首位华人获奖者王中林等。

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