中國科學院上海高等研究院太赫茲原子傳感研究取得系列進展

　　【儀表網 研發快訊】傳統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。原子無線傳感作為一種新興量子探測技術，依托高量子態里德堡原子與電磁場的相互作用，有望實現單光子級探測靈敏度與兆赫茲級探測速度，被視為突破現有探測瓶頸、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：針對太赫茲探測中靈敏度與時間分辨率難以兼得的難題，以里德堡態銫原子為傳感介質，創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。該樣機在700 Hz斬波頻率下，實現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 系統在6000 fps下的高速成像
 

　　2. AI賦能提升成像質量，實現無透鏡高分辨成像：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據的情況下，有效抑制噪聲與衍射偽影，實現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，進一步發展了基于里德堡原子光致發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化策略，實現了50mm × 50mm的大視場太赫茲原子成像。該系統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尺度。進一步將該系統已成功應用于液體混合過程的可視化監測，展現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，系列成果發表于IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology(Q1區期刊)、Nuclear Science and Techniques(Q1區期刊、中國科學院1區)、Journal of Physics D: Applied Physics和Chinese Optics Letters。未來，團隊將繼續圍繞更高性能指標、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。總體原則是精選題，嚴選人，選題和選人相結合，構建長周期基礎研究穩定支持機制，提供寬松科研環境。目標是探索符合基礎研究科學規律的科研管理新范式和人才發展新機制，培養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。