摘要：电磁波蕴含着大量自然界的秘密，是人类素未谋面的朋友，默默无闻地为文明进步做出了巨大贡献。随着科技的飞速发展，科学家逐渐将探索方向聚焦在波长为毫米到微米量级的电磁波（大约相当于一根头发丝直径的千分之一到十分之一）。这类电磁波的波长比可见光长，但又比手机信号、Wi
电磁波蕴含着大量自然界的秘密，是人类素未谋面的朋友，默默无闻地为文明进步做出了巨大贡献。随着科技的飞速发展，科学家逐渐将探索方向聚焦在波长为毫米到微米量级的电磁波（大约相当于一根头发丝直径的千分之一到十分之一）。这类电磁波的波长比可见光长，但又比手机信号、Wi－Fi使用的微波短。它们的“能量等级”刚好卡在一个巧妙的位置——既不像X光那样“凶猛”能穿透人体，也不像无线电波那样“温和”只能传递信息，因而在科技和生活中展现出独特的应用潜力和巨大的研究价值，扮演神奇的角色。
“长波光子的波动性和粒子性都很明显，是一种理想的信号源。”长期从事电磁波探测感知理论和成像检测装备研究的清华大学研究员赵自然对其情有独钟。他针对电磁波探测与智能感知技术在体制、算法、器件等方面存在精度差、效率低、成本高等挑战性难题，积聚创新智慧，在毫米波、太赫兹、远红外技术创新中不断探索，首创提出了“长波光子多元感知”的创新思想，打通了“基础器件－原创方法－技术装备－产业应用”创新链，主持多项国家重大／重点项目，在长波光子学、电磁波器件、人体非接触安检等方向取得了多项原创成果，并广泛应用于众多领域，为社会和谐、安宁与文明贡献了科技力量。
建立长波光子多元感知方法体系，服务国家重大需求
科技是国家强盛之基，创新是民族进步之魂。长期奋斗在科研一线的赵自然始终认为科研就要面向服务国家重大战略，以新时代科学家精神解决科学技术瓶颈及难题。为此，在首创的长波光子热载流子效应的基础上，赵自然提出了太赫兹光热电探测方法和棘轮结构异质结宽谱探测方法，实现从红外到太赫兹波段的超宽谱响应，并研制出了高灵敏原型器件。该器件在室温下可直接探测太赫兹波，具备零偏压、低噪声和易集成优势，并获得最优的频谱响应，解决了高频探测链路成本高、灵敏度低等公认难题，奠定了长波光子多元感知的物理基础。他还揭示了材料能带结构设计机理，在单片结构上实现对长波光子的强度探测、波长选择与偏振敏感探测，使灵敏度由纳瓦提升至皮瓦量级，量子效率提升一倍至60％，为构筑长波光子前端器件奠定技术基础。部分进展在Science Advances、ACS Nano等国际顶级科技期刊发表，同行评议认为该方法“为光热电探测开辟了新机遇”。
此外，赵自然自2014年首次发现碳纳米材料－金属异质结在太赫兹波段的光热电响应并提出太赫兹光热电探测机制以来，还带领团队不断探索提升温度梯度和材料塞贝克系数的方法，证实了基于碳纳米材料和改性热电材料的太赫兹波段光热电探测的有效性，从光照产生的温度梯度和材料热电优值两方面给出了进一步提升探测灵敏度的方法，展示了光热电器件在实现太赫兹波段室温高性能探测方面的巨大应用潜力。
主持研制系列国产安检成像设备，出口多国成为全球标准
“安全是关乎国家、社会和个人的大事，是国家和社会发展的基石。而作为安全防范重要措施的人身安全检查是维护公共安全的重要屏障和关键环节。”谈及到人身安全检查，赵自然透露，在人身安检过程中，安全与隐私往往如同硬币的两面，难以平衡取舍。如何攻克这一难点成为了他和团队的科研使命和责任。
“如何做到兼备安全与隐私，做到“鱼与熊掌”同时兼得，进而使检查过程实现人性化？”立足国之所需和科研难点，赵自然和团队将毫米波纳入科研视野，借助国家重大科学仪器设备开发专项“毫米波成像探测仪研制与产业化”项目，围绕赵自然所负责的核心任务“毫米波成像探测技术开发与定型”进行了卓有成效的科学探索，并取得了创新突破。赵自然建立了平面扫描毫米波全息精确成像新理论，提出电磁波成像物理新模型和多元能谱准直微剂量成像方法，主持研制了毫米波人身安检和微剂量人体成像智能探测装备。产品成像分辨率接近理论极限，检出率、误报率等关键技术指标居国际领先水平，实现了非接触、高效舒适、精准报警的人身安检，解决了我国人体安检技术存在的“卡脖子”问题。
“双面联动平面扫描工作模式、毫米波图像重建方法、人工智能识别方法……”赵自然带领团队攻克诸多科研难点，贡献了原创性科研成果。创新成果既保证了人身安检的准确性，又确保对旅客隐私进行保护和尊重，安检过程从此不再需要旅客配合举起双手，极大地提高了舒适度，使“鱼和熊掌”兼得，确保了公共安全，达到国际领先水平。
目前，相关科研成果已经在英国、韩国、日本、巴西、澳大利亚、新加坡等30多个国家的民航机场、海关口岸、司法监狱等批量应用，社会经济效益显著。赵自然做为第一完成人荣获北京市科技进步一等奖和二等奖、中国专利优秀奖，日内瓦国际发明展金奖和银奖，并牵头制定了毫米波人体成像领域首个国际标准。
忘我拼搏擦亮科研底色，弘扬传承科学家精神
谈到为国科研的成果和贡献，赵自然总是自谦：“家国情怀是一个科学家最亮的底色”。名副其实，赵自然和团队成员用无数辛勤和汗水诠释了“有实力、能打仗、能吃苦、能合作、能玩命，敢于承担责任”的科研精神。赵自然参与的第一个重大科研项目是“大型装备缺陷辐射检测技术”，这个项目意义重大，利用高能辐射原理解决“在大型物体中检测微小缺陷”的核心问题。“是我国大型装备生产、研制中最有效的缺陷检测手段，在一批重点装备的研制生产、重要试验中发挥了不可替代的作用。”国家需求就是科研的责任和初衷。自2000年博士开题后，赵自然就一直参与了整个项目，他常常要工作到半夜一两点，设备调试阶段更是白天黑夜连轴转。总结他如此玩命的动力，他概括为两个字——激情。他说，“这个项目应国家的重大需求，在关乎国家战略的自主创新上具有重大的意义，尽管我能做的只是很有限的一小部分，但项目的重大意义和应用价值使我充满了激情。”
面对科研的难点和压力，赵自然坦诚，参与重大科研项目，压力很大，付出很多，但也正是在如此大的舞台上，潜能才会被激发出来，在科研能力得到了极大锻炼的同时，逐渐形成了“百折不挠、艰苦攻关；肩负使命、追求卓越”的信念。由于要检测人体，2009年开始，从以往熟悉的X射线需要转换到毫米波太赫兹波，需要克服成像体制、器件、算法等诸多瓶颈。赵自然迎难而上，从物理模型开始，仅用了不到3年时间提出了可行的解决方案，并在实验室里验证了成像效果。验证成功的那个下午，他抬头望向窗外，才发现已经很久没有见过白天的太阳了，每天都是天不亮就到实验室，深夜回家。正是在这种信念的坚持下，研制的技术装备迅速达到国际领先水平，解决了我国人体安检技术存在的“卡脖子”问题。
“责任、担当、创新、奉献”，我们在赵自然科研故事中读懂了科学家的家国情怀。坚信，在未来的创新探索路上，赵自然定会和团队继续向着更加前沿的科技领域进发，以坚定的信念和无畏的勇气，书写科技报国的辉煌篇章。（文／张玮）
来源：中国网
