太赫兹原子传感研究取得系列进展

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。

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。

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。

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。

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。

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。

论文链接：1、2、3、4

利用神经网络增强原子太赫兹成像原理图与成像效果

THz失谐下的差分荧光谱和荧光信号变化

原子大气室太赫兹荧光对比及物体成像结果