太赫兹原子传感研究取得系列进展

中国科学院
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传统太赫兹成像技术受限于灵敏度低、成像速度慢、视场有限,以及分辨率不足等问题。原子无线传感作为新兴量子探测技术,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,因而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。近期,中国科学院上海高等研究院等研究团队,聚焦“太赫兹原子无线传感”,开展了成像性能极限与创新机制研究,取得了系列重要进展。ikB速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

研究团队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,构建了双相机同步探测机制,并研制出兼具高灵敏度与高帧率的原子无线成像系统。该样机在700Hz斩波频率下,实现了6000fps的超高成像帧率,灵敏度分别达到43fW/μm²(6000fps)与41.7aW/μm²(100fps),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。ikB速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

为攻克原子传感成像中分辨率低的难题,研究团队融合量子传感与人工智能,提出了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,可有效抑制噪声与衍射伪影,实现宽视场下分辨率超过1.25lp/mm的无透镜成像,显著提升了成像质量与应用潜力。同时,研究团队围绕太赫兹频率与谱信息感知这一关键科学问题,发展了基于里德堡原子光致发光光谱的太赫兹光谱快速表征方法,通过分析太赫兹场作用前后的光谱差分,可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。ikB速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

研究团队进一步针对成像面积受限问题,提出了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,提高了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。目前,该系统已成功应用于液体混合过程的可视化监测,并在化学检测与生物扩散过程分析中展现出应用潜力。ikB速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

上述研究深化了学界对原子与太赫兹场相互作用机制的理解,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。团队下一步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。ikB速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

相关研究成果发表在《核科学与技术》(Nuclear Science and Techniques)、IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology、Journal of Physics D: Applied Physics及《中国光学快报》(Chinese Optics Letters)上。研究工作得到财政部、中国科学院的支持。ikB速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

论文链接:1、2、3、4ikB速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

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