【儀表網 研發(fā)快訊】傳統(tǒng)太赫茲成像技術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，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、構建新一代量子傳感體系的關鍵路徑。近年來發(fā)達國家已積極布局，推動該技術在電場傳感、光學成像、通信及量子信息等領域的應用。在中國科學院穩(wěn)定支持基礎研究領域青年團隊計劃“原子無線傳感”項目的支持下，中國科學院上海高等研究院(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)合華南師范大學黃巍副教授團隊，聚焦“太赫茲原子無線傳感”，開展成像性能極限與創(chuàng)新機制研究，取得一系列重要進展。
 

　　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，創(chuàng)新構建雙相機同步探測機制，成功研制出高速、高靈敏原子無線成像系統(tǒng)。該樣機在700 Hz斬波頻率下，實現(xiàn)6000 fps的超高成像幀率，靈敏度分別達到43 fW/μm²(6000 fps)與41.7 aW/μm²(100 fps)，太赫茲至可見光的功率轉換效率高達34.95%，綜合性能達到國際領先水平。
 

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習算法。該方法在不依賴大量訓練數(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，顯著提升了成像質量與應用潛力。
 

圖2 利用神經網絡增強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鍵科學問題，進一步發(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度信息。該方法以原子能級為基準，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.擴大成像視場，推動系統(tǒng)走向實用化：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，邁向更接近實際應用需求的系統(tǒng)尺度。進一步將該系統(tǒng)已成功應用于液體混合過程的可視化監(jiān)測，展現(xiàn)出在化學檢測與生物擴散過程分析中的潛力。
 

圖4 原子大氣室太赫茲熒光對比及物體成像結果
 

　　以上進展不僅深化了對原子與太赫茲場相互作用機制的理解，也為構建高靈敏、高精度太赫茲量子傳感平臺奠定了關鍵技術基礎，系列成果發(fā)表于IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology(Q1區(qū)期刊)、Nuclear Science and Techniques(Q1區(qū)期刊、中國科學院1區(qū))、Journal of Physics D: Applied Physics和Chinese Optics Letters。未來，團隊將繼續(xù)圍繞更高性能指標、多模式成像及多頻段太赫場感知開展攻關，推動原子傳感技術在大科學裝置等場景中的應用。
 

　　“原子無線傳感”是由上海高研院承擔的“中國科學院穩(wěn)定支持基礎研究領域青年團隊計劃”項目，該項目是中國科學院、財政部共同試點開展的項目?？傮w原則是精選題，嚴選人，選題和選人相結合，構建長周期基礎研究穩(wěn)定支持機制，提供寬松科研環(huán)境。目標是探索符合基礎研究科學規(guī)律的科研管理新范式和人才發(fā)展新機制，培養(yǎng)一批具有國際競爭力的科技人才后備軍，并產出一批重大研究成果。