借得劲风好扬帆——访首都师范大学物理系张岩教授

本刊记者 李明丽

借得劲风好扬帆
——访首都师范大学物理系张岩教授

本刊记者 李明丽

专家档案：

张岩，首都师范大学物理系研究员，系科研副主任，哈尔滨工业大学兼职教授，博士生导师。现任中国物理学会光物理委员会委员，中国光学学会全息与信息处理委员会委员，中国光学学会光电技术委员会委员，中国仪器仪表协会光机电技术与系统集成分会理事，美国光学学会会员和SPIE会员。2004年入选北京市科技新星计划，2006年以骨干人员入选北京市科技创新团队。发表学术论文130余篇，其中SCI论文100篇。曾主持或参加完成包括“973”课题、“863”课题、国家自然科学基金面上项目等国家级项目5项，省部级项目4项。目前从事的研究为光子晶体器件设计、太赫兹光谱与成像、表面等离子光学以及光学信息处理。

在机场、火车站，所有旅客都必须将随身行李放到安检设备上接受安全检查，而人则从一侧通过。将行李卸下、接受安检后再重新背上，这看起来很麻烦。因此有人提出疑问——为什么不把安检设备安装在一个门上，让旅客直接带着行李从门内走过就可以完成安检？这看起来是一个方便省事的好想法。然而，不少人都知道，在机场、车站的安全检查，主要都是X光检测。这种检测能够一目了然地发现物体的轮廓和形态，却不能用在人体身上，因为经常被X光照射，对人体是有伤害的。

那么，有没有什么技术能在不对人体造成伤害的前提下，又可以有效完成安检的呢？

对于这个问题，首都师范大学物理系张岩教授的回答是肯定的。“如果能够把X光换成太赫兹光，不光对人体无害，你带了什么东西也能看得一清二楚。不管你把东西藏在什么地方，都能在瞬间显形。”

太赫兹的“觉醒”

追根溯源，太赫兹（THz）和X光其实共属于一个大家族，即电磁波。只要高于绝对零度的物体，都会释放出电磁波，它就像空气一样无处不在，只不过肉眼通常看不见而已（可见光除外）。在电磁波这个大家族里，从低频率到高频率，包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外光、X-射线（即X光）、伽马射线等。而太赫兹波，正是介于微波和红外线之间的一种电磁波，它的波长在30微米至3毫米之间。

上世纪80年代之前，太赫兹几乎一直都在科学的世界里“沉睡着”。那时候，甚至还没有“太赫兹”这个正式的名字，而是被划分到“远红外射线”的范畴之内。

尽管从一百多年前开始，就有一些科学工作者陆陆续续接触到了它，但却始终无法将它唤醒并为科学发展服务。因为有效太赫兹产生源和灵敏探测器的相关技术始终无法突破。

直到上世纪90年代一系列新技术、新材料的发展，特别是超快技术的发展，使得获得宽带稳定的脉冲太赫兹源成为一种准常规技术，太赫兹技术得以迅速发展，并在实际范围内掀起一股研究太赫兹的热潮。太赫兹这个神秘的光波，在新技术的召唤下终于睁开了它惺忪的睡眼。

随着太赫兹技术在科学领域的声名鹊起，越来越多的科学家开始把研究的方向对准了太赫兹。美国、欧洲、亚洲、澳大利亚等许多国家和地区政府、机构、企业、大学和研究机构纷纷投入到太赫兹的研发热潮之中。科学家们惊奇的发现，这种神奇的电磁资源有着惊人的潜力：可用于波谱成像、无损检测、安全检查、雷达、天文、通信等众多技术领域。一场由太赫兹技术带来的新一轮技术冲击正在酝酿。

2003年，太赫兹迎来了在技术应用领域小试牛刀的机会。那一年美国哥伦比亚号航天飞机在返回地球时意外失事。一大批科学家受命参与事故分析。面对航天飞机失事后留下的巨大疑问，无计可施的科学家们最终决定“起用”科学领域的“新贵” ——太赫兹技术。他们从美国航天局提供的一块材料着手，利用太赫兹技术进行检测。结果发现材料里竟有90多个对安全有害的缺陷！他们用太赫兹检测出了大部分缺陷，漏检率只有百分之几，这是当时其他方法根本不可能达到的。太赫兹技术在无损材料检测领域的地位由此奠定。

这个掀起科学领域“前沿革命”的太赫兹技术，被认为是“有待全面研究的最后一个电磁波频率窗口”。继2004年美国将太赫兹技术列为未来改变世界的十大技术之一后，日本也于2005年1月将太赫兹技术列为“国家支柱十大重点战略目标”之首，举全国之力进行研发。

太赫兹在中国

如果说，太赫兹是一匹千里良驹，那么在国内极力倡导发展太赫兹技术的中科院院士杨国桢，无疑是中国最早相中太赫兹的“伯乐”之一。2001年，在杨国桢院士的努力和首都师范大学校领导的支持下，首都师范大学太赫兹实验室正式成立，成为国内起步较早、投入较大的一家专门研究太赫兹技术的单位。实验室的众多太赫兹研究人员，也由此成为国内第一批研究太赫兹这匹千里马的“驯马师”之一。在国外太赫兹技术研发如火如荼，而国内却才刚刚起步的情况下，首都师范大学太赫兹实验室面临的压力和挑战可想而知。

左起依次为首师大刘新成校长,张岩研究员,北京科委主任闫傲霜

“情定”太赫兹

2003年，实验室终于迎来强援张岩的加盟。这位1972年出生的陕西汉子，年纪轻轻，却有着光彩照人的科研履历和丰富耀眼的科研成果：18岁考入哈尔滨工业大学物理系，22岁攻读硕士学位，与导师一起在国内率先开展光学分数傅立叶变换的研究，为利用光学分数傅立叶变换进行信息处理铺平了道路；24岁进入中国科学院物理研究所攻读博士学位，成为杨国桢院士的得意门生，并在他和顾本源研究员的指导下，将分数傅立叶变换同杨-顾算法相结合，开拓了分数傅立叶变换在光学信息处理领域中的应用；1999年获得日本学术振兴会博士后基金资助，前往日本山形大学工学部担任特别研究员；2001年于香港理工大学电机工程系任研究助理，2002年又获得德国洪堡基金资助，前往德国斯图加特大学应用光学研究所任洪堡学者。

国外留学过程中，通过对比，张岩对国内外的科研模式有了深刻的认识，“先瞄靶后射箭——为应用而研究”的观念在他的脑海里生根发芽。通过广泛地对比，“太赫兹”这种被恩师杨国桢院士视为“千里良驹”并迅速风靡全球的新技术开始进入张岩的视野。

“与传统的光学和电磁学方法相比，太赫兹技术有许多独特优点。例如，穿透性好，光子能量低，在特定情况下的特征明显等。利用这些优点，太赫兹在安检、医学上的应用前景广阔。利用太赫兹对固体和气体的监测能力，可以对半导体、高保真音响等进行检测；通过监测气体成分的变化，可以实现天气预报和大气污染监控；利用太赫兹可以穿透衣服和皮肤的特性，可以实现人体内部器官的成像，对肿瘤、癌症治疗具有重大意义；利用太赫兹辐射波技术，可以为安全检查服务，对于反恐、减灾，构建安全的现代社会有重要意义……”

正是太赫兹那种广泛的应用价值和无比诱人的开发前景，令张岩下定决心，要在太赫兹技术研究与应用领域闯出一片新天地。

在摸索中前进

首都师范大学太赫兹实验室成了张岩施展才华、实现梦想的绝佳舞台。在实验室，他对太赫兹波谱与成像、太赫兹与物质相互作用等领域着手进行研究。

此时刚刚成立2年的首都师范大学太赫兹实验室，由于刚刚起步，仍处于摸着石头过河的阶段，与国外轰轰烈烈的太赫兹研究相比，既没有多少成功经验，更缺乏足够的资金、政策等支持。

然而，探索科学的意义也正在于此，迎难而上，越挫越勇。张岩和整个实验室团队抱着填补国内太赫兹技术领域空白的决心，一步一步在摸索中前进。

经过不懈地努力，在太赫兹波谱与成像方面，张岩逐渐有了自己的思路，“我的想法是把太赫兹发展的波谱与成像方法用于微纳米光电器件的表征探索中”。而在探测技术方面，太赫兹作为一种新型相干光源，其辐射的独特性质在物理、信息、材料和生物等领域具有广阔的应用前景。为此，张岩认为：“太赫兹所有探测出来的信号不只是强度信号，还可得到的其他的信息，如时间信息等，它可以是空间的三维再加上时间，对分析物理来说，获取的信息越多，分析得就越透彻。”

借得劲风好扬帆

机会总是会降临在有准备的人身上，2005年，太赫兹技术的冲击和热度终于在国内达到一个前所未有的高度，在太赫兹技术领域摸爬滚打了多年的首都师范大学太赫兹实验室，也终于迎来了一个极佳的发展契机。

那年的11月22日，以“太赫兹科学技术的新发展”为主题的第270次学术讨论会在北京香山饭店召开。来自科研院所、高等院校等相关领域的众多专家学者参加了此次学术讨论会。在会上，以张存林、张岩等人为核心的首都师范大学太赫兹实验室科研团队几年来在太赫兹技术研究领域所做出的有益探索，得到与会专家的一致认可。会后，首都师范大学太赫兹实验室被确定为全国太赫兹技术开放研发平台之一。推动我国在太赫兹领域的发展，成为了实验室的重要使命之一。

借助这波太赫兹研究热潮以及国家对太赫兹技术研发的重视，首都师范大学太赫兹实验室也得以开启全面发展的新模式。

在太赫兹波谱学方向上，实验室开展爆炸物、毒品及生物大分子的太赫兹波谱学研究，已经建立了常见毒品和爆炸物的太赫兹谱库，包括30多种常见毒品、9种爆炸物和20余种蛋白质氨基酸。该谱库在安全检测和环境控制方面具有重要意义。

近年来，太赫兹远距离探测和成像，受到了国际上军事和民用两方面的高度重视，成为世界各国争相发展的一项新技术。为了紧跟国际步伐，实验室在太赫兹成像研究方向上，开展基于光学方法研究太赫兹脉冲产生与探测技术，基于电子学方法研究太赫兹连续波产生与探测技术，并研究脉冲和连续波太赫兹成像方法和成像技术总体方案、太赫兹成像识别和图像处理理论与算法等方面的研究。

在太赫兹与红外无损检测研究方向上，实验室在研究太赫兹检测技术和图像处理技术的同时，也在红外热成像技术的基础上，开展红外热波检测技术的研究。“该技术是一项新兴的无损检测技术，具有广阔的应用前景，”张岩介绍说。此外，由于太赫兹在各种介质中的传输研究具有重要科学意义和实际应用价值，张岩等人也把一部分注意力放在了金属亚波长结构以及半导体微纳结构与太赫兹相互作用的研究之上。

确立科研大方向之后，实验室不断取得突破性进展，实验室的地位和规模也逐步升级。继2006年被正式确立为北京市太赫兹波谱与成像重点实验室之后，实验室一年一个台阶，实现稳步快速发展：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。目前，实验室共有科研用房3000平方米，其中千级超净实验室3间，面积225平方米，科研仪器设备总值超过千万元。自建成之日起，太赫兹实验室已经和正在培养博士研究生11名，硕士研究生一百多名，正在进行的研究项目包括“863”计划课题、“973”计划课题、武器装备预研课题和空间研究战略课题等。

“研究向应用靠拢”

作为北京市“太赫兹波谱与成像”创新团队的核心成员，张岩借助实验室这一绝佳平台及个人的不懈努力，在太赫兹波谱与成像，太赫兹波段表面等离子光学和微纳光电子器件设计研究方面做出了重要的成绩。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虚拟期刊收录。分别获得了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。

作为国内最好的太赫兹科技开放研发平台之一，张岩等在不断创新以促进实验室持续快速发展的同时，也不忘为社会造福。他们极力促进太赫兹科学与技术在我国的发展，为促进国民经济的发展，占领下一个国防科技制高点贡献自己的力量。实验室秉承创新、开放、共同发展的原则，在内部鼓励知识、技能和管理创新，注重人才培养，梯队建设，以实验室四个研究方向为导向，立足于实验室自身的软硬件条件，促进国内外多学科单位联合研究，强强联合，优势互补，共同承担国家的重大关键技术攻关，资源共享，共同发展。在国内，他们的合作伙伴包括北大、清华等知名高校以及中科院物理所、中国空间研究院等众多科研院所；在国际上，他们与美国、英国、澳大利亚等国众多知名高校与科研机构建立了长期合作关系。

这一时期，张岩在留学期间学到的以应用为导向的研究理念派上了用场，“太赫兹实验室前期的发展为我们后期研究向应用靠拢奠定了良好的基础，有了前期的铺垫，我们将研究向应用靠拢的决心更为坚定”，他如是说。

本着这样一种思路，实验室从2009年起，不断深化产学研之间的合作，积极寻求与企业之间的合作，通过联合进

科行关键技术攻关，服务企业并促进经济发展，走出一条产学研综合发展的道路。目前实验室已经完成多项企业交给的任务，如为安泰科技股份公司进行了多孔面板分层缺陷红外热波无损检测研究，为中国空间研究院502研究所进行了红外成像技术在印制电路板虚焊检测中的可行性研究等。

与此同时，实验室还发挥自身优势，开放了多种技术服务。如配合相关单位推动国家及军用红外热波无检测方面资质认证。尤其是相关的教材编写、培训服务、试件设计制作、试题研究、标准研制及体系建设等方面。可以根据客户要求，利用红外、超声、射线、涡流、渗透等多种手段对不同材料、不同结构、不同缺陷类型、不同检测要求的试件、部件或产品进行实验室、现场或外场检测，并根据需要进行对比实验。

随着太赫兹这匹“千里良驹”的各种潜能被不断挖掘并显示出来，越来越多的人开始把目光聚焦到太赫兹技术的研究与应用上面，研究太赫兹的单位也从20年前的3个发展到全国的30多个。而张岩所在的首都师范大学太赫兹实验室，也将与时俱进，以太赫兹光电子学的基本物理问题及其应用为主要研究内容，继续开展太赫兹波谱、太赫兹成像、太赫兹和红外无损检测以及太赫兹传输及与物质相互作用四个方向的研究，力争在太赫兹技术研究与应用方面达到国际先进水平。

封二故事

借得劲风好扬帆——访首都师范大学太赫兹实验室

在机场、火车站，所有旅客都必须将随身行李放到安检设备上接受安全检查，而人则从一侧通过。将行李卸下、接受安检后再重新背上，这看起来很麻烦。因此有人提出疑问——为什么不把安检设备安装在一个门上，让旅客直接带着行李从门内走过就可以完成安检？这看起来是一个方便省事的好想法。然而，不少人都知道，在机场、车站的安全检查，主要都是X光检测。这种检测能够一目了然地发现物体的轮廓和形态，却不能用在人体身上，因为经常被X光照射，对人体是有伤害的。

那么，有没有什么技术能在不对人体造成伤害的前提下，又可以有效完成安检的呢？对于这个问题，首都师范大学物理系张岩教授的回答是肯定的。“如果能够把X光换成太赫兹光，不光对人体无害，你带了什么东西也能看得一清二楚。不管你把东西藏在什么地方，都能在瞬间显形。”……