闪亮太赫兹源

2013年9月第7期的Nature Photonics发表了对张希成教授的专访，文章以《闪亮太赫兹源》为题，指出近年来太赫兹的发展引人注目，太赫兹波以其优势正广泛应用于各个领域。以下是专访内容的中文翻译。

近年来，太赫兹源的性能已被显著地提高，太赫兹辐射的优势也在不同的领域被证实。张希成教授在访谈中谈到太赫兹科学的过去、现在和未来。

Q．早期太赫兹科学是怎样的？

A．20世纪80年代末，我在哥伦比亚大学涉及太赫兹研究时，美国仅有三个研究组在积极地研究利用超短波激光脉冲产生太赫兹脉冲，即：IBM由Daniel Grischkowsky带领的研究组，贝尔实验室由Martin Nuss带领的研究组和哥伦比亚大学由David Auston带领的研究组。因为那时没有已商业化的产生或探测宽带太赫兹波的实验技术，我们不得不制造光学元件器件并开发一个太赫兹测量系统。我们尝试了用光电导天线（有时也被称为Auston开关）和光整流方法产生太赫兹波。在Auston教授实验室时，我对太赫兹辐射是否能穿透光学上不透明的材料很好奇。我第一次发现使用飞秒激光激励从一个无偏压的半导体硅片辐射出的脉冲太赫兹波。在寻找新的太赫兹产生材料过程中，我尝试了许多不同的材料，包括电介质、金属、纸巾、纺织品和木材，基本上包括了每一种我身边能找到的材料（甚至我的手指）。那时，我们中的大多数研究人员都使用光电偶极天线来探测太赫兹波。

Q．太赫兹源的发展过程中的里程碑是什么？

A．我认为有两个里程碑：第一个是证实了在可见或近红外波段通过使用短激光脉冲产生脉冲太赫兹。这个工作是80年代末90年代初由Gerard Mourou, David Auston, and Dan Grischkowsky首创。第二个是太赫兹量子串级激光器的发展。1997年Federico Capasso的研究团队证实量子串级激光器产生红外持续激光，2002年，Alessandro Tredicucci从量子级联激光器获得了红外持续激光。不久之后，麻省理工学院的胡青教授制造了一个更好用更灵活的太赫兹量子串级激光器。该发明打开了工业应用之门，并且推动了许多研究的进步和发展。

Q．下一个里程碑可能是什么？

A．高强度太赫兹源的发展很可能成为第三个里程碑。高蜂值功率的太赫兹波，它可以由倾斜的光学波阵面入射到LiNbO3或气体中，双色激光混合产生等离子体辐射得到。这个情况为研究基础太赫兹科学提供了新的机会。我们当前不能预测高强度太赫兹照射下会发生什么；尽管如此，它已经使研究人员兴奋，并为他们在研究中提供了许多的猜测。如太赫兹成像是当前基于线性回应，但研究人员对被太赫兹辐射引导的非线性影响可能在太赫兹成像中被开发有很大的兴趣。如果非线性太赫兹成像能提供有用的信息是不能被常见的太赫兹成像所获得，高强度的太赫兹辐射的使用将推动非线性太赫兹光谱仪。为了产生场强为100KV·cm-1或更高的太赫兹波，那么当前成为必需的：要么申请光束时间在国家同步加速器设备（如在Argonne和Brookhaven），要么购买一个商业上可靠，但非常贵的激光放大系统，这样的系统只有少数研究组能承担。因此真正的里程碑将是降低光纤激光器成本，或开发一种易用的激光系统来产生高强度太赫兹波。

Q．太赫兹成像有哪些特征？

A．太赫兹成像能被视为X射线和红外的一个补充。对于某些材料，太赫兹比X射线或红外表现得更好。举个例子，对于类似低密度结构和隔热层的低对比度材料而言，太赫兹辐射比X射线成像得到的振幅和相位相对比更高。而且对于一些光学上不透光的材料，如纸、塑胶和布，太赫兹辐射穿透力更好。因此，许多机场人体扫描器使用毫米波成像，这类扫描器的频率正在拓展至亚太赫兹和太赫兹范围。尽管太赫兹波幅度的带宽比红外光更窄，某些材料（如晶体或微晶）仍有分子共振和/或声子共振。如爆炸的黑索金能被太赫兹光谱百分之百鉴定出来。

Q．太赫兹辐射在工业上有哪些新兴应用？

A．可能最有前途的工业应用是质量控制、缺陷检查和无损探测。太赫兹辐射能穿透在可见和红外波不透明的材料，空间分辨率比微波高，这个特点使太赫兹波成为唯一适合工业品质控制、生物医学和安检等应用的成像技术。我曾经和300多家公司联系过，80%以上的公司表示有对无损探测方面的需求。

Q．太赫兹辐射未来前景？

A．一些工业太赫兹系统能被用于国防安检和质量控制应用，而且太赫兹通讯体系为安全提供史无前例的频带宽度，超高清晰度的无线视频。太赫兹传感系统对环境研究和空间科学很有吸引力，太赫兹成像医疗系统能用来诊断、治疗某些癌症等疾病。太赫兹/远紫外线系统可以研究分子水平的动态成像。亚洲和欧洲已投入了大量的资金到太赫兹科学与技术研究中，并且已建成了几个主要的国家项目和国际研究中心。例如X射线和太赫兹同步源和一个具有强太赫兹源的非线性太赫兹光谱仪一个新概念是将结合太赫兹光子、电子和等离子体技术，发展多尺度的太赫兹光子、电子和等离子体元件，能大幅降低新型太赫兹系统的成本，太赫兹技术应用于医疗、安全和工业领域的时代即将到来。