太赫兹原子传感研究取得系列进展

图1 系统在6000 fps下的高速成像

传统太赫兹成像技术长期受限于灵敏度低、成像速度慢、视场有限及分辨率不足等挑战。原子无线传感作为一种新兴量子探测技术，依托高量子态里德堡原子与电磁场的相互作用，有望实现单光子级探测灵敏度与兆赫兹级探测速度，被视为突破现有探测瓶颈、构建新一代量子传感体系的关键路径。近年来发达国家已积极布局，推动该技术在电场传感、光学成像、通信及量子信息等领域的应用。在中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划“原子无线传感”项目的支持下，中国科学院上海高等研究院(以下简称“上海高研院”)邓海啸研究员、张开庆高级工程师等，联合华南师范大学黄巍副教授团队，聚焦“太赫兹原子无线传感”，开展成像性能极限与创新机制研究，取得一系列重要进展。

1. 研制成功兼具高灵敏度与高帧率太赫兹成像系统：针对太赫兹探测中灵敏度与时间分辨率难以兼得的难题，以里德堡态铯原子为传感介质，创新构建双相机同步探测机制，成功研制出高速、高灵敏原子无线成像系统。该样机在700 Hz斩波频率下，实现6000 fps的超高成像帧率，灵敏度分别达到43 fW/μm²(6000 fps)与41.7 aW/μm²(100 fps)，太赫兹至可见光的功率转换效率高达34.95%，综合性能达到国际领先水平。

2. AI赋能提升成像质量，实现无透镜高分辨成像：为攻克原子传感成像中分辨率低的难题，融合量子传感与人工智能，提出物理约束的深度学习算法。该方法在不依赖大量训练数据的情况下，有效抑制噪声与衍射伪影，实现宽视场下分辨率超过1.25 lp/mm的无透镜成像，显著提升了成像质量与应用潜力。

图2 利用神经网络增强原子太赫兹成像原理图与成像效果

3. 拓展频谱感知功能，建立太赫兹量子测量新方法：围绕太赫兹频率与谱信息感知这一关键科学问题，进一步发展了基于里德堡原子光致发光光谱的太赫兹光谱进行快速表征的方法，通过分析太赫兹场作用前后的光谱差分，同步获取太赫兹场的频率与强度信息。该方法以原子能级为基准，为建立可溯源的太赫兹量子传感体系提供了新途径。

图3 THz失谐下的差分荧光谱和荧光信号变化

4. 扩大成像视场，推动系统走向实用化：针对成像面积受限的问题，提出了一种基于大尺寸原子气室和均匀激光整形的优化策略，实现了50mm × 50mm的大视场太赫兹原子成像。该系统有效扩展了探测视场，提高原子荧光分布的空间均匀性，使太赫兹量子成像从以往的毫米尺度验证，迈向更接近实际应用需求的系统尺度。进一步将该系统已成功应用于液体混合过程的可视化监测，展现出在化学检测与生物扩散过程分析中的潜力。

图4 原子大气室太赫兹荧光对比及物体成像结果

以上进展不仅深化了对原子与太赫兹场相互作用机制的理解，也为构建高灵敏、高精度太赫兹量子传感平台奠定了关键技术基础，系列成果发表于IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology(Q1区期刊)、Nuclear Science and Techniques(Q1区期刊、中国科学院1区)、Journal of Physics D: Applied Physics和Chinese Optics Letters。未来，团队将继续围绕更高性能指标、多模式成像及多频段太赫场感知开展攻关，推动原子传感技术在大科学装置等场景中的应用。

“原子无线传感”是由上海高研院承担的“中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划”项目，该项目是中国科学院、财政部共同试点开展的项目。总体原则是精选题，严选人，选题和选人相结合，构建长周期基础研究稳定支持机制，提供宽松科研环境。目标是探索符合基础研究科学规律的科研管理新范式和人才发展新机制，培养一批具有国际竞争力的科技人才后备军，并产出一批重大研究成果。