作者

沈京玲，首都师范大学

引子

2019年6月25日，第五届全国太赫兹科学技术学术年会在上海举行。太赫兹科学技术学术年会是太赫兹领域规模最大的全国性会议，出席会议的有刘盛纲、庄松林、吴一戎、褚君浩、吕跃广等院士，以及国内多所高校、研究机构、专业学会以及科技公司的600余名专家学者。看到国内如此庞大的太赫兹科学研究队伍和研究热潮，不禁想起20多年前我刚刚听说“THz波”一词时的情景，以及首都师范大学太赫兹实验室初建的那些日子。

缘起偶然

1995-1998年我在中科院物理所攻读博士学位，我的导师是张洪钧研究员，我们主要研究光学混沌和光折变效应。我们办公室的隔壁是汪力博士的办公室，听师兄们说，汪力博士正在研究THz波。当时汪博士刚刚申请了一个太赫兹的国家自然科学基金面上项目（也叫一般项目），资助额为10万元。他在光物理的公共实验室做实验，使用飞秒激光抽运半导体材料和电光晶体产生太赫兹波，其辐射功率非常低。我当时好奇，就去了解什么是THz。原来THz波是电磁波的一个介于光波和微波之间的特殊频段，是人眼不可见的，但又不像微波那样容易产生比较强的辐射。我们都感叹，既看不见又那么弱，做实验可真难！

没想到的是，在物理所首次听说太赫兹波，后来自己跟它结下了不解之缘，成了后一半职业生涯中的主要研究方向。博士毕业后，我回到首都师范大学物理系从事教学科研工作。为了加强科研工作，2001年，时任物理系主任的张存林教授隆重聘请了中科院物理所杨国桢院士来首师大做特聘教授。杨院士来了以后，给我们建议的研究方向就是太赫兹科学技术。杨院士很年轻就担任中科院物理所所长，在科学研究的全局把控和管理方面具有丰富经验，他提出的研究方向真是独具前瞻性。当时国内知道太赫兹的人很少，除了中科院物理所汪力博士，没听说有什么人从事太赫兹研究。我们首师大物理系在杨国桢院士指导下，就这样占了先机。

实验室初创

首先是建立实验室。从2001年底到2002年春天，我们建起了一个50 ㎡的千级超净实验室。搬进来的光学平台既不是国际名牌Newport，也不是如今的国内名牌上海理工和江西连胜，而是当时全息实验常用的、用飞机轮胎做减振的光学平台。就在2002年4月我去英国访学的前几天，还在清理平台小孔里的铁屑。

然后是购买搭建一套太赫兹时域光谱仪（TDS）所需的元器件。这套TDS系统中，经费占比最大的是飞秒激光器，用来做太赫兹波的抽运源。当时的飞秒激光振荡器使用532 nm的YAG激光器抽运。记得杨国桢院士亲自带我去位于物理所旁边的光谱物理公司询价砍价。其他元器件我是一件一件地订购，像离轴抛物面镜、碲化锌晶体（ZnTe）、锁相放大器、平移台…...

当时在伦斯勒理工大学的张希成教授对我们帮助很大。记得在徐祥源校长宴请张希成特聘教授的餐桌上，我拿着元件清单逐一请教希成教授，他非常具体地介绍了各个元件的性能、特点、使用经验等，令我获益良多。

杨国桢院士（左一）当年在实验室指导工作。左二左三分别是张存林教授和赵国忠教授。

为了更好更快进入太赫兹研究领域，我利用英国访学的机会，进入了Strathclyde大学的Electron and Terahertz to Optical Pulse Source (TOPS)实验室学习。我的合作研究伙伴Steven P. Jamison博士的导师是美国Oklahoma大学Daniel R. Grischkowsky（人称“蛋糕教授”）。圈里人都知道，蛋糕教授是超快激光和太赫兹技术的奠基人之一，被国际学术界誉为“太赫兹时域光谱之父”。在那里我学习到了太赫兹波的相关知识和系统操作技能。

TOPS实验室的老板是Dino A. Jaroszynski教授，主要研究方向是激光尾波场电子加速器。高速运动的电子束辐射太赫兹波，可以用太赫兹探测技术进行监测，从而得知电子束的各项参数。我们去荷兰等离子体研究院，在自由电子激光器上用太赫兹技术进行电子束探测实验。TOPS实验室有一套使用钛宝石飞秒激光放大器抽运太赫兹波的TDS系统，在这套系统上不用扫描，我和Steven成功地用啁啾脉冲一次测量到太赫兹波，从而证实了啁啾脉冲太赫兹探测法的可行性[1]。

万事开头难

搭建太赫兹时域光谱系统是个技术活儿。但系统搭建好后，却怎么也测不出太赫兹信号，真是急坏了！我们左右检查、细心分析，甚至还怀疑是不是中央广播电视塔离我们太近，影响了信号的产生或测量。

我的硕士研究生赵玉莲同学2001年入校时就确定研究方向为太赫兹波，眼看就要开题了，太赫兹信号还是千呼万唤不出来！无奈，我只好给她换了个不需要太赫兹信号的题目：搭建一台自相关仪，并测试不同阻抗的硅片对飞秒脉冲的展宽。

飞秒激光脉冲的脉宽决定了所产生太赫兹波的带宽，“脉宽”与“带宽”成反比。而高阻硅在太赫兹TDS系统中是常用元件。所以，了解高阻硅对激光脉宽的影响是太赫兹实验研究的重要前期工作，非常有意义。而同实验室的李福利教授则把比赵玉莲高一届的两位硕士研究生送到汪博士实验室做毕业论文。其中一位后来又跟着汪力老师学习，取得了博士学位。他就是目前活跃在太赫兹研究领域的西北大学徐新龙教授。

2004年6月赵玉莲同学（后排左一）毕业答辩后合影。前排左起：赵国忠教授、汪力研究员、李福利教授。

万般无奈下，换了个激光器，太赫兹信号一下子有了！而且怎么调都有信号。真是一通百通！有了信号，我们利用这台TDS系统做了很多初创工作。比如，我和公安部第一研究所合作，得到了三十几种毒品样品。

因为太赫兹波的频率处于生物大分子的振动和转动能级，所以太赫兹波透过物质后所得到的吸收谱，能准确反映物质分子结构，即得到它的指纹谱。我们测试了这些毒品在太赫兹波段的指纹谱，发现不论样品是放在信封里或者塑料袋里的粉末，还是压成薄片，同一种毒品样品在太赫兹波段的吸收峰个数和位置都是不变的。因此我们建立了国际上最全的太赫兹毒品数据库，并发展了各种指纹谱识别技术和算法。有兴趣的读者可参阅我们的一篇综述文章[2]。

成长壮大

就这样，首师大物理系的太赫兹研究工作逐步开展起来，研究团队也逐步扩大。最初的团队只有我和张存林教授，后来王卫宁副教授和胡颖副教授加入了我们的行列。她俩在我去英国访学的一年中，做了许多实验室的初建工作。

到2003年后期，我们引进了赵国忠教授和张岩教授。他们的到来为实验室注入了强大的力量。在杨国桢院士的指导下，特聘教授张杰、张希成、汪力的帮助下，张存林教授的带领下，实验室面积逐步扩大，影响也逐步走向全国。

2006年我们的实验室成了北京市重点实验室、2007年成了省部共建教育部重点实验室、2010年升格为教育部重点实验室。这是国内第一个省部级太赫兹重点实验室。毫不夸张地说，我们实验室走在了国内太赫兹科学技术研究的前列。

研究队伍在壮大过程中，当时的骨干都在这里了。

再往后的事情很多人就不陌生了。我们的研究队伍不断扩大，吸纳了一批批获得博士学位的青年学子的加入，研究方向也多样化，硕果累累。

以太赫兹科学技术研究为主要支撑，我们为物理系争取到了光学工程一级学科博士点，目前已转成物理学一级学科博士点。还争取到了科技部重大仪器专项。

就全国而言，太赫兹研究也全面铺开。从最初的中科院物理所、首都师范大学、天津大学、上海微系统研究所、南京紫金山天文台等少数几个单位，到目前几乎所有高校和研究所都有涉足。太赫兹研究之火热从本文开头提到的太赫兹年会之规模，就可见一斑。

回想二十多年前，要不是对在物理所听到的太赫兹这个词感到好奇，并因此和太赫兹结缘，很可能会与太赫兹擦肩而过，那才是终身遗憾。

2017年6月的大聚会。学生们多数来自外地小镇，读研给了他们改变命运的机会，太赫兹波转换了他们的人生轨迹。如今他们都留在了大都市工作和生活。

（感谢汪力研究员的补充）

参考文献

[1] Steven Jamison, Jingling Shen et al，Hightemporal resolution, single shot, THz pulse characterization[J], Optics Letters, 28, 1710 (2003).

[2] 和挺，沈京玲，太赫兹技术在毒品检测中的应用研究[J]，光谱学与光谱分析, 33 (09)，2348（2013）

文章来自《光电产品与资讯》2019年12月刊“钩沉”栏目

☆ END ☆

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