太赫茲原子傳感研究取得系列進展

傳統太赫茲成像技術受限于靈敏度低、成像速度慢、視場有限，以及分辨率不足等問題。原子無線傳感作為新興量子探測技術，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，因而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。近期，中國科學院上海高等研究院等研究團隊，聚焦“太赫茲原子無線傳感”，開展了成像性能極限與創新機制研究，取得了系列重要進展。

研究團隊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，構建了雙相機同步探測機制，并研制出兼具高靈敏度與高幀率的原子無線成像系統。該樣機在700Hz斬波頻率下，實現了6000fps的超高成像幀率，靈敏度分別達到43fW/μm2（6000fps）與41.7aW/μm2（100fps），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。

為攻克原子傳感成像中分辨率低的難題，研究團隊融合量子傳感與人工智能，提出了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，可有效抑制噪聲與衍射偽影，實現寬視場下分辨率超過1.25lp/mm的無透鏡成像，顯著提升了成像質量與應用潛力。同時，研究團隊圍繞太赫茲頻率與譜信息感知這一關鍵科學問題，發展了基于里德堡原子光致發光光譜的太赫茲光譜快速表征方法，通過分析太赫茲場作用前后的光譜差分，可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。

研究團隊進一步針對成像面積受限問題，提出了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，提高了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。目前，該系統已成功應用于液體混合過程的可視化監測，并在化學檢測與生物擴散過程分析中展現出應用潛力。

上述研究深化了學界對原子與太赫茲場相互作用機制的理解，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。團隊下一步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。

相關研究成果發表在《核科學與技術》（Nuclear Science and Techniques）、IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology、Journal of Physics D: Applied Physics及《中國光學快報》（Chinese Optics Letters）上。研究工作得到財政部、中國科學院的支持。

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