【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】傳統(tǒng)太赫茲成像技術(shù)長期受限于靈敏度低、成像速度慢、視場有限及分辨率不足等挑戰(zhàn)。原子無線傳感作為一種新興量子探測技術(shù)，依托高量子態(tài)里德堡原子與電磁場的相互作用，有望實現(xiàn)單光子級探測靈敏度與兆赫茲級探測速度，被視為突破現(xiàn)有探測瓶頸、構(gòu)建新一代量子傳感體系的關(guān)鍵路徑。近年來發(fā)達(dá)國家已積極布局，推動該技術(shù)在電場傳感、光學(xué)成像、通信及量子信息等領(lǐng)域的應(yīng)用。在中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊計劃“原子無線傳感”項目的支持下，中國科學(xué)院上海高等研究院(以下簡稱“上海高研院”)鄧海嘯研究員、張開慶高級工程師等，聯(lián)合華南師范大學(xué)黃巍副教授團(tuán)隊，聚焦“太赫茲原子無線傳感”，開展成像性能極限與創(chuàng)新機(jī)制研究，取得一系列重要進(jìn)展。
 

　　1.研制成功兼具高靈敏度與高幀率太赫茲成像系統(tǒng)：針對太赫茲探測中靈敏度與時間分辨率難以兼得的難題，以里德堡態(tài)銫原子為傳感介質(zhì)，創(chuàng)新構(gòu)建雙相機(jī)同步探測機(jī)制，成功研制出高速、高靈敏原子無線成像系統(tǒng)。該樣機(jī)在700 Hz斬波頻率下，實現(xiàn)6000 fps的超高成像幀率，靈敏度分別達(dá)到43 fW/μm²(6000 fps)與41.7 aW/μm²(100 fps)，太赫茲至可見光的功率轉(zhuǎn)換效率高達(dá)34.95%，綜合性能達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
 

圖1 系統(tǒng)在6000 fps下的高速成像
 

　　2. AI賦能提升成像質(zhì)量，實現(xiàn)無透鏡高分辨成像：為攻克原子傳感成像中分辨率低的難題，融合量子傳感與人工智能，提出物理約束的深度學(xué)習(xí)算法。該方法在不依賴大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)的情況下，有效抑制噪聲與衍射偽影，實現(xiàn)寬視場下分辨率超過1.25 lp/mm的無透鏡成像，顯著提升了成像質(zhì)量與應(yīng)用潛力。
 

圖2 利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)原子太赫茲成像原理圖與成像效果
 

　　3.拓展頻譜感知功能，建立太赫茲量子測量新方法：圍繞太赫茲頻率與譜信息感知這一關(guān)鍵科學(xué)問題，進(jìn)一步發(fā)展了基于里德堡原子光致發(fā)光光譜的太赫茲光譜進(jìn)行快速表征的方法，通過分析太赫茲場作用前后的光譜差分，同步獲取太赫茲場的頻率與強(qiáng)度信息。該方法以原子能級為基準(zhǔn)，為建立可溯源的太赫茲量子傳感體系提供了新途徑。
 

圖3 THz失諧下的差分熒光譜和熒光信號變化
 

　　4.擴(kuò)大成像視場，推動系統(tǒng)走向?qū)嵱没?/strong>：針對成像面積受限的問題，提出了一種基于大尺寸原子氣室和均勻激光整形的優(yōu)化策略，實現(xiàn)了50mm × 50mm的大視場太赫茲原子成像。該系統(tǒng)有效擴(kuò)展了探測視場，提高原子熒光分布的空間均勻性，使太赫茲量子成像從以往的毫米尺度驗證，邁向更接近實際應(yīng)用需求的系統(tǒng)尺度。進(jìn)一步將該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于液體混合過程的可視化監(jiān)測，展現(xiàn)出在化學(xué)檢測與生物擴(kuò)散過程分析中的潛力。