自由空间电光取样太赫兹探测系统

01. 导读石墨烯已经实现了许多最初预测的特性，并且正朝着市场迈进。然而，尽管预测的市场影响巨大，基于石墨烯的高性能电子和光子学仍然落后。尽管如此，已经报道了一些令人印象深刻的光电子器件演示，涉及调制器、混频器和光电探测器（PDs），特别是利用石墨烯的高载流子迁移率、可调电学特性和相对容易集成的石墨烯光电探测器已经得到了证明，例如展示了利用光增益效应的高响应度或超过100 GHz的带宽。从紫外线到远红外线之间，尽管石墨烯几乎具有均匀吸收特性，但其相对低的吸收率约为2.3%，这是其中一个主要挑战。因此，大多数速度最快、性能最佳的探测器都是在硅或硅化物等光子集成电路（PIC）平台上进行演示的。通过石墨烯的电场的平行传播，可以提供更长的相互作用长度，从而增加吸收率。通过使用等离子体增强技术，甚至可以实现更短和更敏感的探测器。尽管在光子集成电路上使用石墨烯已经展示了多种功能应用，但光子集成电路的整合也有其代价。光子集成电路的整合限制了可访问的波长范围，无论是由于波导材料（如Si）的透明度限制，还是由于集成光学电路元件（如光栅耦合器、分光器等）的有限带宽。此外，光子集成电路的整合对偏振依赖性和占地面积都有一定的限制，这是由于访问波导的原因。光子集成电路的模式和等离子体增强也意味着所有光线只与石墨烯的一个非常有限的体积相互作用，导致早期饱和的发生，有效地将最大可提取的光电流限制在微安级别。作为一种替代方案，可以直接从自由空间垂直照射石墨烯。这种方法可以充分利用石墨烯的光电检测能力，而不会受到所选择光子平台的限制。然而，这需要一种结构来有效增强石墨烯的吸收。此外，由于器件尺寸较大，对整体器件几何结构和接触方案的额外考虑更加关键。尽管如此，已经证明即使是与自由空间耦合的石墨烯探测器也可以达到超过40 GHz的带宽。由于没有光子集成电路的一些约束，整体效率不会受到耦合方案的影响，而且其他属性，如不同波长和偏振，现在也可以自由访问。例如，最近利用任意偏振方向来演示了中红外区域的极化解析检测中的定向光电流。石墨烯提供了多种物理检测效应：与传统的光电探测器（如PIN光电二极管或玻璃热计）只使用一种特定的检测机制不同，石墨烯探测器具有多种不同的检测机制，例如基于载流子的机制[光电导（PC）和光伏（PV）]，热机制[玻璃热（BOL）和光热电（PTE）]，或者增益介质辅助的机制。最近的器件演示已经朝着光热电复合操作的方向推进，以克服依赖偏置检测机制时的高暗电流问题。对石墨烯的时间分辨光谱测量表明，载流子动力学可以实现超过300 GHz的热和基于载流子的石墨烯光电探测器。对于设计高速、高效的石墨烯光电探测器来说，目前仍不清楚哪种直接检测机制（PV、PC、BOL或PTE）可以实现最高的带宽，并且这些效应中的许多效应可以同时存在于一个器件中，使得专门的设计变得困难。02. 成果掠影鉴于此，瑞士苏黎世联邦理工学院电磁场研究所Stefan M. Koepfli报道了一种零偏置的石墨烯光电探测器，其电光带宽超过500 GHz。我们的器件在环境条件下可以覆盖超过200 nm的大波长范围，并可适应各种不同的中心波长，从小于1400 nm到大于4200 nm。材料完美吸收层提供共振增强效应，同时充当电接触，并引入P-N掺杂，实现高效快速的载流子提取。光可以通过标准单模光纤直接耦合到探测器上。直接的自由空间耦合使光功率可以分布，导致高于100 mW的饱和功率和超过1 W的损伤阈值。该探测器已经经过高速操作测试，最高速率可达132 Gbit/s，采用两电平脉冲幅度调制格式（PAM-2）。多层结构几乎可以独立于基底进行加工处理，为成本效益高的技术奠定了基础，该技术可以实现与电子器件的紧密单片集成。我们进一步展示了该方法的多样性，通过调整超材料的几何形状，使其在中红外波长范围内工作，从而在原本缺乏此类探测器的范围内提供高速和成本效益高的探测器。因此，这种新型传感器为通信和感知应用提供了机会。相关研究成果以“Metamaterial graphene photodetector with bandwidth exceeding 500 gigahertz”为题，发表在顶级期刊《Science》上。03. 核心创新点本文的核心创新点包括：1. 基于图形石墨烯的光电探测器：本文提出了一种利用单层石墨烯的光电探测器。与传统的光电二极管或波尔计可以利用一种特定的探测机制不同，图形石墨烯探测器具有多种不同的探测机制，包括载流子机制、热机制和增益介质辅助机制。2. 电光带宽：本文展示了具有大于500 GHz的电光带宽的图形石墨烯探测器。这意味着该探测器能够高速响应光信号，适用于高速通信和数据传输。3. 多波段操作和宽光谱范围：图形石墨烯探测器能够在多个波段上工作，并且具有超过200 nm的宽光谱范围。这使得该探测器在通信和传感等领域具有广泛的应用潜力。4. 自由空间耦合和紧凑集成：本文展示了通过自由空间耦合的方式将光信号直接耦合到探测器中，避免了光子集成电路中的限制，并且实现了紧凑的集成。这使得探测器具有更好的灵活性和可扩展性。5. 高饱和功率和低压操作：图形石墨烯探测器具有高饱和功率，能够抵消响应度的影响。此外，它还能在低电压范围内进行操作，与CMOS技术兼容，使得探测器具有更低的功耗和更好的性能。04. 数据概览图1. 间隔式石墨烯超材料光电探测器的艺术视角。（A）从顶部直接通过单模光纤照射器件的艺术化表现。（B）器件结构的可视化。光电探测器由金反射层背板、氧化铝间隔层、单层石墨烯和相连的偶极子谐振器组成。金属线具有交替的接触金属，由银或金制成。然后，该结构由氧化铝钝化层封顶。图2. 制备的器件和模拟的光学和电子行为。（A至D）所提出的超材料石墨烯光电探测器（钝化前）的扫描电子显微图，放大倍数不同。显微图展示了从电信号线到活动区域再到谐振器元件的器件结构。在（D）中显示了四个单元格（每个单元格大小为1 mm × 1 mm），位于x和y坐标系中。比例尺分别为50mm（A），5 mm（B）和1 mm（C）。（E至G）同一单元格的模拟光学和静电行为。图（E）中展示了电磁场分布下的偶极子天线行为，图（F）中展示了相应的吸收分布。大部分吸收都集中在偶极子谐振器附近。图（G）中展示的模拟接触金属引起的电势偏移显示了由于交替接触金属而引起的P-N掺杂。沿着每种模拟类型（（E）至（G））的中心线（y = 1000 nm）的横截面位于每个面板的底部，显示光学信号和掺杂在接触区域附近最强。图3. 用于电信波长的器件性能。（A）用光学显微镜拍摄的器件在与电子探针接触时的顶视图（顶部）和侧视图（底部）图像。图像显示了与单模光纤的直接光学耦合。DC表示直流，RF表示射频。（B）归一化的光电响应随照射波长变化的曲线图，显示了共振增强和宽带工作。FWHM表示半峰全宽。（C）光输入功率变化范围内提取的光电流，范围跨越了五个数量级（黑线）。蓝线对应于器件上的光功率（Int.），而黑线对应于单模光纤输出的功率（Ext.）。响应度分别为Rext = 0.75 mA/W和Rint = 1.57 mA/W。（D）石墨烯光电探测器在2至500 GHz范围内的归一化频率响应。测量结果显示平坦的响应，没有滚降行为。WR代表波导矩形。（E）不同射频音调下的归一化射频响应随栅压的变化。发现理想的栅压在-2.5 ±1 V附近，使得响应平坦，这对应于轻微的P掺杂，可以从底部的电阻曲线中看出。电阻曲线进一步显示靠近0 V的狄拉克点和非常小的滞后行为（在图S2中进一步可视化）。（F）测量栅电压范围的相应模拟电势剖面，显示了理想的栅电压（以红色突出显示），对应于两个接触电平中心处的掺杂。图4. 光谱可调性和多共振结构。（A至C）模拟（A）和测量（B）不同元件共振器长度的光谱吸收，展示了元件结构的可调性。图中给出了四个示例的极化无关设计的扫描电子显微镜图像（C），其中颜色对应于（A）中所示的共振器长度刻度。比例尺为1 mm。（D至G）多共振器件的概念。（D）针对1550和2715 nm的双共振器件的扫描电子显微镜图像。顶部比例尺为1 mm，底部比例尺为5 mm。（E）相应的电场模拟，使用3个单元单元格乘以2个单元单元格的双共振器件，激发波长分别为1550和2715 nm，显示了两个不同尺寸共振器的清晰偶极子行为。（F）器件上的光电流与光功率的关系图和（G）两个波长的测量响应度与电压的关系图。05. 成果启示我们展示的2 GHz至500 GHz以上的电光带宽光电探测器与传统的PIN光电探测器技术和单向载流子光电二极管相媲美。垂直入射的元件结构图形PD在单个器件中充分发挥了图形的预期优势。从概念上讲，该探测器的性能利用了元件吸收增强、通过图形-金属接触掺杂的内置电场、通过静电门实现的良好控制的工作点以及化学气相沉积生长的图形的有效封装。探测器依赖于相对简单的金属-绝缘体-图形-金属-绝缘体的层状结构，这种结构潜在地可以在几乎任何衬底上进行后处理，并支持与现有结构的高度密集的单片集成，类似于等离子体调制器的示例。与大多数先前关于图形探测器的工作不同，我们展示了在无冷却条件下的空气稳定操作，使用了与互补金属氧化物半导体（CMOS）兼容的低电压范围的栅压，这是由于直接生长的封装层结构与底部绝缘体设计的结合效果所致。通过这些器件，我们展示了132 Gbit/s的数据传输速率，这是迄今为止已知的最高速度的图形数据传输速率。高饱和功率使得高速检测成为可能。在受到射击噪声限制的通信系统中，高饱和功率可以抵消适度的响应度，因为信噪比与响应度和输入功率成正比。此外，适度的响应度可以改善。以前的自由空间照明的图形光电探测器依赖于载流子倍增或基于剥离的多层图形而达到了更高的响应度，而没有任何光学增强。因此，还有很大的空间来共同努力进一步完善这个概念，改进制造工艺，并实现更高质量的图形材料。这些努力很可能会导致新一代的基于图形的探测器，具有足够的响应度。最后，大于500 GHz的高带宽和图形的波长无关吸收使得探测器可以在从1400 nm到4200 nm及更远的范围内的任何波长上工作。这对于传感和通信都是相关的。例如，在电信领域，持续增长的数据需求导致了对新通信频段的强烈需求。这种具有紧凑尺寸和与CMOS集成能力的新型探测器可能能够满足当前迫切需求。原文详情：Metamaterial graphene photodetector with bandwidth exceeding 500 gigahertzStefan M. Koepfli, Michael Baumann, Yesim Koyaz, Robin Gadola, Arif Gngr, Killian Keller, Yannik Horst, ShadiNashashibi, Raphael Schwanninger, Michael Doderer, Elias Passerini, Yuriy Fedoryshyn, and Juerg Leuthold.Science, 380 (6650), DOI: 10.1126/science.adg801

p　　中国电子科技集团有限公司第十三研究所专用集成电路国家级重点实验室与中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、中国科学院纳米器件与应用重点实验室再次合作，在高灵敏度石墨烯场效应晶体管(G-FET)太赫兹自混频(Homodyne mixing)探测器的基础上，实现了外差混频(Heterodyne mixing)和分谐波混频(Sub-harmonic mixing)探测，最高探测频率达到650 GHz，利用自混频探测的响应度对外差混频和分谐波混频的效率进行了校准，该结果近期发表在碳材料杂志Carbon上(Carbon 121, 235-241 (2017))。/pp　　频率介于红外和毫米波之间的太赫兹波(Terahertz wave)在成像、雷达和通信等技术领域具有广阔的应用前景，太赫兹波与物质的相互作用研究具有重要的科学意义。高灵敏度太赫兹波探测器是发展太赫兹应用技术的核心器件，是开展太赫兹科学研究的重要手段与主要内容之一。太赫兹波探测可分为直接探测和外差探测两种方式：直接探测仅获得太赫兹波的强度或功率信息 而外差探测可同时获得太赫兹波的幅度、相位和频率信息，是太赫兹雷达、通信和波谱成像应用必需的核心器件。外差探测器通过被测太赫兹信号与低噪声本地相干太赫兹信号的混频，将被测信号下转换为微波射频波段的中频信号后进行检测。与直接探测相比，外差探测通常具备更高的响应速度和灵敏度，但是探测器结构与电路更加复杂，对混频的机制、效率和材料提出了更高的要求。/pp　　天线耦合的场效应晶体管支持在频率远高于其截止频率的太赫兹波段进行自混频探测和外差混频探测。前者是直接探测的一种有效方法，可形成规模化的阵列探测器，也是实现基于场效应晶体管的外差混频探测的基础。目前，国际上基于CMOS晶体管实现了本振频率为213 GHz的2次(426 GHz)和3次(639 GHz)分谐波混频探测，但其高阻特性限制了工作频率和中频带宽的提升。/pp　　石墨烯场效应晶体管因其高电子迁移率、高可调谐的费米能、双极型载流子及其非线性输运等特性为实现高灵敏度的太赫兹波自混频和外差混频探测提供了新途径。前期，双方重点实验室秦华团队和冯志红团队合作成功获得了室温工作的低阻抗高灵敏度石墨烯太赫兹探测器，其工作频率(340 GHz)和灵敏度(～50 pW/Hz1/2)达到了同类探测器中的最高水平(Carbon 116, 760-765 (2017))。此次合作进一步使工作频率提高至650 GHz，并实现了外差混频探测。/pp　　如图1所示，工作在650 GHz的G-FET太赫兹探测器通过集成超半球硅透镜，首先通过216、432和650 GHz的自混频探测，验证了探测器响应特性与设计预期一致，并对自混频探测的响应度和太赫兹波功率进行了测试定标。在此基础上，实现了本振为216 GHz和648 GHz的外差混频探测，实现了本振为216 GHz的2次分谐波(432 GHz)和3次分谐波(648 GHz)混频探测。混频损耗分别在38.4 dB和57.9 dB，对应的噪声等效功率分别为13 fW/Hz和2 pW/Hz。2次分谐波混频损耗比216 GHz外差混频损耗高约8 dB。/pp　　此次获得混频频率已远高于国际上已报道的石墨烯外差探测的最高工作频率(～200 GHz)，但中频信号带宽小于2 GHz，低于国际上报道最高中频带宽(15 GHz)。总体上，目前G-FET外差混频探测器性能尚不及肖特基二极管混频器。但是，无论在材料质量还是在器件设计与工艺技术上，都有很大的优化提升空间。根据Andersson等人预测，G-FET的混频转换效率可降低至23.5 dB，如何达到并超越肖特基二极管混频探测器的性能指标是未来需要重点攻关的关键问题。/pp　　图3所示为基于432 GHz的直接探测以及二次谐波探测的透射成像图对比，分谐波探测时的透射成像显现出比直接探测更高的动态范围，可达40 dB。/pp　　该研制工作得到了国家自然科学基金项目(No. 61271157, 61401456, 61401297等)、国家重点研发计划(2016YFF0100501， 2014CB339800)、中科院青促会(2017372)、中科院苏州纳米所纳米加工平台、测试分析平台和南京大学超导电子学研究所的大力支持。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/c73fe96e-7527-4de4-8f95-ff4e6c2935aa.jpg" title="1.jpg"/　/pp style="text-align: center "图1：650 GHz天线耦合的G-FET太赫兹外差混频探测器br//pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/70869861-507f-4a27-91dc-64a7cf6c6185.jpg" title="2.jpg"//pp style="text-align: center "图2：(a)准光耦合的外差混频探测系统示意图 (b)216 GHz外差混频探测的中频频谱br//pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/15463ac0-04f0-4c63-9091-fee1013ca466.jpg" title="3.jpg"//pp style="text-align: center "图3：(a)分别采用432 GHz直接探测和本振为216 GHz的2次分谐波探测对树叶进行的透射成像效果对比 (b)采用本振为216 GHz的2次分谐波探测对柠檬片的透视成像。/p

近日，美国布朗大学物理系的Angela Pizzuto等人完成了第一个使用蓝光的扫描近场显微镜的实验演示。通过410纳米的飞秒脉冲，研究人员直接从体硅中产生太赫兹脉冲，以纳米级的分辨率进行空间分辨，这些信号提供了使用近红外激发无法获得的光谱信息。他们开发了一个新的理论框架来解释这种非线性相互作用，使得材料参数的精确提取成为可能。这项工作为使用扫描近场显微镜方法研究技术上相关的宽带隙材料建立了一个可能的新领域。上世纪90年代中期，散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）的出现，改变了亚波长光学领域。这种技术涉及到将电磁辐射耦合到一个尖锐的亚波长金属尖端，并随后在远场测量从该尖端-样品交界处散射的辐射。在过去的十年里，这种近场测量的方法在光谱的红外和太赫兹区域产生了显著的影响。基于孔径的亚波长光谱学方法是具有挑战性的，随着波长的增加，入射波与金属尖端的耦合变得更容易，而空间分辨率仍然受到尖端尺寸的限制。关于短波长辐射与纳米级尖端的耦合是一项艰巨的任务，阻碍了对重要的宽带隙材料的纳米级研究，如硅和氮化镓等。这些材料已经用低于带隙的激发方式在近场进行了线性光学研究。将纳米级的非线性光学方法应用于其他材料已比较成熟，但由于将该方法应用于这些高度相关的材料系统一般需要更高的能量光激发，至今还没有实现。布朗大学的Angela Pizzuto等人描述了一个入射光子能量超过3eV的扫描近场光学显微镜测量。使用410纳米的飞秒脉冲，研究人员照亮了一个锋利的金属原子力显微镜（AFM）尖端，并通过二阶非线性光学过程诱导来自几种不同材料的太赫兹发射，以实现具有纳米级空间分辨率的激光太赫兹发射显微镜（LTEM）。由于宽直接带隙以上的双光子激发，泵浦光子的高能量使大块晶体硅的强太赫兹发射成为可能。激光太赫兹发射显微镜的特性导致了对光学对准的要求大大放宽；传统的线性扫描近场光学显微镜使用纳米尖来限制入射波，这种聚焦短波长辐射在纳米尖下的精确对准实际上是有挑战性的。在实验中，通过对一小部分的宏观光生太赫兹偶极子的外耦合，可以获得纳米级的分辨率，研究人员首次实现了在扫描近场光学显微镜中使用紧密聚焦的蓝光。他们得到了第一个硅的近场激光太赫兹发射显微镜图像，并将结果与太赫兹扫描近场光学显微镜通过尖端的太赫兹脉冲的弹性散射获得的结果相比较。图1是激光路径和扫描近场光学显微镜实验装置示意图。近红外、蓝光和太赫兹光束分别产生，其中太赫兹脉冲使用传统的光电导天线产生，所有的三束光重叠并耦合到原子力显微镜中。散射或发射的太赫兹脉冲在另一侧通过自由空间电光采样进行相干检测。图1 实验装置示意图为了说明在宽带隙材料中使用激光太赫兹发射显微镜的价值，研究人员使用硅片作为样品，它在近红外激发下不会发出明显的太赫兹辐射。该硅片有一个小的区域，受到了离子注入，随后的退火激活了这个区域注入的掺杂物。这样硅片包含两个掺杂密度非常不同的区域，它们之间有一个清晰的边界。研究人员对这个边界区域进行了线性和非线性测量，并对结果进行比较。图2 硅样品的太赫兹辐射。（a）太赫兹脉冲 （b）太赫兹脉冲峰峰值与泵浦光束的平均功率之间的关系首先，当用超快蓝光泵浦时，未注入的基底和注入的区域都会发出太赫兹脉冲。图2a显示了由蓝光激发的THz脉冲，在探针敲击频率的二次谐波处解调得到的结果。可以观察到，轻度掺杂的基底比重度掺杂的植入区域产生明显更多的太赫兹发射。为了更好地理解太赫兹的产生机制，研究人员测量了发射的太赫兹峰峰值与蓝色泵浦光束的平均功率之间的关系，如图2b所示。当功率在大约2 mW以上，太赫兹发射强度受蓝光功率增加的影响较小；事实上，一旦泵浦通量足够高，很大一部分可用的电荷载流子将被光激发，任何多余的泵浦光子将被高的局部导电性屏蔽。由图2b中的插图可以看出，发射的太赫兹场的振幅和泵浦光功率之间有一个明显的二次方关系。这表明THz产生的主要机制是双光子吸收；价带中的载流子吸收了超过6 eV的泵浦能量，并被激发到远高于块状Si的宽4.2 eV的直接带隙之上。该实验结果为扫描近场光学显微镜方法在宽带隙材料上的应用提供了新的可能性。

无损评估、生物医学诊断和安全筛查等诸多令人兴奋的太赫兹（THz）成像应用，由于成像系统的光栅扫描要求导致其成像速度非常慢，因此在实际应用中一直受到限制。然而，太赫兹成像系统的最新进展极大地提高了成像通量（imaging throughput），并使实验室中的太赫兹技术更加接近现实应用。据麦姆斯咨询报道，近日，美国加州大学洛杉矶分校（University of California Los Angeles，UCLA）的科研团队在Light: Science & Applications期刊上发表了以“High-throughput terahertz imaging: progress and challenges”为主题的综述论文。该论文第一作者为Xurong Li，通讯作者为Mona Jarrahi。该论文主要从硬件和计算成像两个角度回顾了太赫兹成像技术的发展。首先，研究人员介绍并比较了使用热探测、光子探测和场探测的图像传感器阵列实现频域成像与时域成像时的各类硬件。随后，研究人员讨论了利用不同成像硬件和计算成像算法实现高通量捕获飞行时间（ToF）、光谱、相位和强度图像数据的方法。最后，研究人员简要介绍了高通量太赫兹成像系统的未来发展前景和面临的挑战。基于图像传感器阵列的太赫兹成像系统（硬件方面）然而，并非所有类型的图像传感器都能够扩展到大型阵列，但这是高通量成像的关键要求。这部分内容重点介绍了基于各类图像传感器阵列的高通量太赫兹成像系统。这些太赫兹成像系统的性能主要通过空间带宽积（SBP）、灵敏度、动态范围以及成像速度等指标在其工作频率范围内进行量化。太赫兹频域成像系统在热探测太赫兹成像仪中，微测辐射热计是最广泛使用的图像传感器之一，它将接收到的太赫兹辐射所引起的温度变化转化为热敏电阻材料的电导率变化。氧化钒（VOx）和非晶硅（α-Si）是室温微测辐射热计最常用的热敏电阻材料。使用微测辐射热计图像传感器阵列捕获太赫兹图像的示例如图2a所示。热释电探测器是另一类热成像传感器，它将接收到的太赫兹辐射所引起的温度变化转化为能以电子方式感测的热释电晶体的极化变化。图1 目前最先进的频域太赫兹图像传感器的性能对比图2 基于图像传感器阵列的太赫兹频域成像系统示例对于室温太赫兹成像，场效应晶体管（FET）图像传感器是微测辐射热计图像传感器的主要竞争对手。FET图像传感器的主要优势之一是具有出色的可扩展性。与室温微测辐射热计图像传感器相比，FET图像传感器通常工作在较低的太赫兹频率下，其灵敏度也较低。然而，由于无需热探测过程，FET图像传感器可以提供更高的成像速度。使用FET图像传感器阵列捕获太赫兹图像的示例如图2b所示。光子探测器作为可见光成像仪中最主要的图像传感器，在太赫兹成像中也发挥着至关重要的作用。除低温制冷要求外，太赫兹光子探测器还有另外两方面的限制：工作频率限制（高于1.5 THz）以及可扩展性限制（难以实现高像素的探测器阵列）。使用光子探测图像传感器阵列捕获太赫兹图像的示例如图2c所示。另外，可以利用量子点或激光激发的原子蒸汽将从成像物体接收到的太赫兹光子转换为可见光子，并且可以利用光学相机在室温下实现对大量像素的高通量成像。然而，太赫兹到可见光的光子转换过程需要复杂且笨重的装置来实现。与光子成像仪相比，超导太赫兹成像仪可以提供同等水平甚至更高的灵敏度。同时，它们具有更好的可扩展性，并且能够在较低的太赫兹频段工作。超导成像仪主要有四种类型：过渡边缘传感器（TES）、动态电感探测器（KID）、动态电感测辐射热计（KIB）和量子电容探测器（QCD）。使用超导图像传感器阵列捕获太赫兹图像的示例如图2d所示。到目前为止，所讨论的频率域太赫兹成像仪均是进行非相干成像，并且仅能解析被成像物体的强度响应。相干太赫兹成像可使用外差探测方案来解析成像物体的振幅和相位响应。通过将接收到的来自成像物体的辐射与本振（LO）波束混合，并将太赫兹频率下转换为射频（RF）中频（IF），可将高性能射频电子器件用于相干信号探测。超导体-绝缘体-超导体（SIS）、热电子测辐射热计（HEB）、肖特基二极管、FET混频器和光电混频器可用于太赫兹到射频的频率下转换。由于外差探测架构的复杂性，所展示的相干太赫兹成像仪灵敏度被限制在数十个像素。太赫兹时域成像系统基于时域光谱（TDS）的太赫兹脉冲成像仪是另一种相干成像仪，它不仅能提供被成像物体的振幅和相位信息，还能提供被成像物体的超快时间和光谱信息。THz-TDS成像系统使用光导天线或非线性光学操纵在泵浦探针成像装置中产生和探测太赫兹波（如图3）。图3 太赫兹时域成像系统示意图：（a）太赫兹光电导天线阵列成像；（b）太赫兹电光取样成像。传统的THz-TDS成像系统通常是单像素的，并且需要光栅扫描来获取图像数据；而为了解决单像素THz-TDS成像系统成像速度慢、体积庞大又复杂的问题，基于电光效应和光导效应的图像传感器阵列已被采用。图4a为使用光学相机的电光采样技术捕获太赫兹图像的示例。基于电光采样的无光栅扫描THz-TDS成像系统既可用于远场太赫兹成像，也可用于近场太赫兹成像（如图4b）。无光栅扫描THz-TDS成像的另一种方法是使用光导图像传感器阵列（如图4c）。基于光导效应和电光效应图像传感器的无光栅扫描THz-TDS成像系统能够同时采集所有像素的数据。然而，时域扫描所需的光学延迟阶段的特性对整体成像速度造成了另一个限制。图4 基于电光效应和光导效应的图像传感器阵列的太赫兹时域成像系统示例研究人员对基于图像传感器阵列的不同太赫兹成像系统的功能和局限性进行了分析，如图5所示。频域成像系统只能解析被成像物体在单一频率或宽频率范围的振幅响应，无法获得超快时间和多光谱信息；但同时，它们配置灵活，可以使用不同类型的太赫兹光源，以实现主动和被动太赫兹成像。时域成像系统则既可以解析被成像物体的振幅和相位响应，也可以解析超快时间和多光谱信息；然而，它们只能用于主动太赫兹成像，并且需要带有可变光学延迟线的泵浦探针成像装置，从而增加了成像硬件的尺寸、成本和复杂性。图5 基于图像传感器阵列的不同太赫兹成像系统的功能和局限性分析虽然太赫兹成像系统的功能通常由上述原理决定，但可以通过修改其运行架构，以实现新的和/或增强功能。太赫兹光谱各类成像方案如图6所示。图6 太赫兹光谱各类成像方案太赫兹计算成像这部分内容主要介绍了各类计算成像方法，这些方法不仅提供了更多的成像功能，而且减轻了由太赫兹成像带来的对高通量操作的限制（放宽了对高通量太赫兹成像硬件的要求）。太赫兹数字全息成像全息成像允许从与物体和参考物相互作用的两光束的干涉图中提取目标信息。太赫兹全息成像系统利用离轴或同轴干涉。与利用THz-TDS成像系统进行相位成像相比，太赫兹数字全息成像无需基于飞秒激光装置并且更具成本效益。对太赫兹辐射源和图像传感器阵列的选择也更加灵活，可以根据工作频率进行优化。然而，太赫兹数字全息成像对成像物体有着更多限制，并且在对多层次和/或高损耗对象成像时受到限制。基于空间场景编码的太赫兹单像素成像与使用太赫兹图像传感器阵列直接捕获图像相比，太赫兹单像素传感器可以通过利用已知空间模式序列来顺序测量并记录空间调制场景的太赫兹响应，从而重建物体的图像。与用于频域和时域成像系统的太赫兹图像传感器阵列相比，该成像方案得益于大多数太赫兹单像素传感器的优越性能（如信噪比、动态范围、工作带宽）。图7总结了太赫兹单像素成像系统的发展。值得一提的是，压缩感知算法不仅适用于单像素成像，也可用于提高多像素图像传感器阵列的成像通量。图7 基于空间波束编码的太赫兹单像素成像系统的发展基于衍射编码的太赫兹计算成像到目前为止，本文介绍的太赫兹成像系统遵循的范式主要依赖于基于计算机的数字处理来重建所需图像。然而，基于数字处理的重建并非没有局限性。为了解决的其中一些挑战，最佳策略可以是为特定任务的光学编码设计光学前端，并使其能够接管通常由数字后端处理的一些计算任务。近期，一种新型光学信息处理架构正兴起，它以级联的方式结合了多个可优化的衍射层；这些衍射表面一旦优化，就可以利用光与物质相互作用，在输入和输出视场之间共同执行复杂的功能，如图8所示。近年来，衍射深度神经网络技术（D²NN）在太赫兹成像方面有着非常广泛的应用，例如图像分类，抗干扰成像，以及相位成像。图8 基于衍射深度神经网络（D²NN）的太赫兹计算成像系统示意图总结与展望综上所述，高通量太赫兹成像系统将通过深耕成像硬件和计算成像算法而持续发展，目标是具有更大带宽、更高灵敏度和更大动态范围的超高通量成像系统，同时还能为特定应用定制成像功能。太赫兹计算成像技术有望与量子探测、压缩成像、深度学习等技术相结合，为太赫兹成像提供更多的功能及更广泛的应用。研究人员坚信太赫兹成像科学与技术将蓬勃发展，未来太赫兹成像系统不仅会大规模应用于科学实验室和工业环境中，而且还将在日常生活中显著增长。这项研究获得了美国能源部资金（DE-SC0016925）的资助和支持。论文链接：https://doi.org/10.1038/s41377-023-01278-0

上海屹持光电与德国batop合作推出自建thz-tds方案 如果您已经具备了fs激光器，并且对thz时域光谱系统比较熟悉，上海屹持光电eachwave提供客户自己搭建thz-tds的所有配件。 thz-tds光路示意图太赫兹工具箱提供 太赫兹时域光谱仪系统（thz-tds）中的主要配件， 并且针对系统中的硬件提供相应的控制软件， 我们也可以提供搭建系统的设计方案。主要硬件包括： 1， 电子盒套装, 包括脉冲电压产生器和锁相探测装置； 2， 带有准直 tpx 透镜的 thz 天线； 3， 线性步进电机； 4， 配套光谱仪软件, 可实现快/慢扫描、成像和角度扫描等，thz 频谱计算分析如计算材料的折射率等。 搭建常规thz-tds，对fs激光器的要求如下： 脉冲宽度 ~100 fs重复频率50-100 mhz平均功率≥30 mw （自由空间天线） ≥100 mw （光纤耦合天线，780 nm & 1060 nm）≥50 mw （光纤耦合天线，1550 nm） 除飞秒激光器外，thz-tds主要部件有： 1，光电导天线： set of fiber-coupled antennas setup in a transmission configuration 2，信号发生器&锁相放大器（lock in） data acqusition systems with bnc ports for emitter and detector antenna3， 线性步进电机： zaber linear stage typically used as delay line in thz spectrometer. 4，控制软件t3ds front panel of the t3ds software displaying the results of a reference measurement自建太赫兹时域光谱系统（光泵浦太赫兹探测系统） 系统需要的其他配件 晶体（znte、dast、dstms、oh1、linbo3） 光电导天线（单极天线、天线阵列） 近场探针 离轴抛物镜 斩波器 thz脉冲电光取样探测器 thz元件（thz偏振片，thz透镜，thz滤波片、thz波片、thz棱镜、thz分束镜等） 更多太赫兹时域光谱仪相关产品： batop太赫兹时域光谱仪thz-tds1008 预组装太赫兹时域光谱仪pre-assembled thz-tds 异步采样太赫兹光谱仪thz-tds 有机晶体宽谱太赫兹时域光谱仪thz-tds 波前倾斜强场太赫兹时域光谱仪thz-tds 太赫兹时域光谱仪工具箱 thz kit 自建太赫兹时域光谱仪器系统 上海屹持光电技术有限公司 eachwave scientific instrument co.,ltd tel: 021-54843093，021-52961576 fax: 021-54843093 cell: 18817395337 email: sales@eachwave.com wabesite: http://www.eachwave.com/

我国太赫兹探测成像领域取得重大突破　　山东科学院自动化所研发出太赫兹探测成像仪　　在好莱坞大片中，常常出现特种部队通过特种设备隔墙“看”到搜索目标的情景。日常生活中的很多时候，人们也希望自己的眼睛可以透视，能够“看”到被遮挡的另一侧的物体。如今，这种设想在我国正逐步成为现实。　　记者从山东省科学院自动化研究所了解到，该所最近成功研制出一种特殊的仪器设备，能够让我们“看”到障碍物另一侧的状况。这一最新成果的达成，标志着我国超宽带与太赫兹探测成像领域取得重大突破，对于保障公共安全和国民经济发展具有重大意义。反恐防暴和人员救援的“好帮手”　　5日，山东省科学院自动化研究所超宽带与太赫兹实验室内，一堵实验墙壁立于一台小巧的仪器和目标物之间。当工作人员打开该仪器时，神奇的一幕出现了仪器的显示屏上显示出该目标物的清晰轮廓和在房间内的相对位置 当物体移动时，显示屏上物体的图像也随之移动 当有人来到实验墙另一侧时，人的图像也会立刻呈现在屏幕上。　　该研究所所长成巍告诉导报记者，这种神奇的仪器叫超宽带太赫兹探测成像仪(简称“太赫仪器”)，可以透过墙壁“看”到屋内人员的分布和活动，以及混乱环境中的物体，可应用于反恐防暴斗争中犯罪分子的搜寻以及地震、塌方、火灾等灾害现场的人员救援等。　　据介绍，太赫兹(即Terahertz，简写为 THz，1THz=1012Hz)泛指频率在0.1Thz至10THz波段内的电磁波，位于红外和微波之间。由于具有频率及空间分辨率很高、脉冲很短、时间分辨率很高、能量小不会对物质产生破坏作用等独特性能，在通信、雷达、无损检测等方面具有深远而重要的影响，因而被美国列为“改变未来世界的十大技术”之一。　　在美国，太赫兹电磁波已经少部分用于机场人员的安检，物品安检则仍然使用X 光进行。　　在现实生活中，人们熟悉的X光也具有透视功能，它与太赫兹电磁波有何不同呢?“X 光由于波长较短，光子能量较高，因而对人体照射会造成肌体不同程度的损伤，但太赫兹电磁波却不会造成任何损伤。”成巍说，由于光子能量较高，X 光穿透物体后难以反射成像，而太赫兹电磁波却不存在这一短板，因而可以将相关仪器做得更小，即使一个人也可以轻松携带，大大方便了人员使用。煤矿和航空航天安全的“保护神”　　正是看到太赫兹技术广阔的应用前景，山东省科学院自动化研究所的研究团队制定了研发蓝图，在太赫兹的多个应用领域展开技术攻关。该团队从前文介绍的超宽带太赫兹探测成像仪起步，正在进一步研究应用于煤矿探测的太赫兹透射成像雷达和碳纤维复合材料无损检测装备等。　　“每年我国瓦斯爆炸和突水引起的矿难事故严重威胁着人们的生命和财产安全。如果有一种仪器，能够穿透岩石、土壤和煤层，在煤矿开采时实时地预测到岩层后大量水和瓦斯的存在，将降低事故发生的概率。”成巍说，该研究所的太赫兹透射成像雷达研制成功后，将针对目前煤矿中导水裂隙进行探测，提供清晰图像，为煤矿的危险防治提供技术与设备支撑。　　值得一提的是，随着碳纤维复合材料大量应用于飞机、卫星及运载火箭，采用新技术、新装备开展碳纤维复合材料的无损检测，对于保障我国航空航天的安全尤为重要。太赫兹成像技术在检测碳纤维复合材料内部缺陷方面，具有许多其他检测技术不具备的独特优势。通过对比材料的实物照片和相应方法重构的THz透射图像，能清晰地分辨出材料内部的情形，这样就可以提前检测出通过其他手段不易发现的内部缺陷和耗损，这将大大减少安全事故的发生。目前，该项技术已完成了前期调研和技术规划，进入研发阶段。　　据了解，《国家“十二五”科学和技术发展规划》已将太赫兹技术列为“需求导向的重大科学问题”研究领域，并加大了资金支持。目前，山东省科学院自动化研究所的相关成果已经达到国际先进水平，必将为我省乃至我国在太赫兹技术领域的研究揭开新的一页。

近期中国科学院上海光学精密机械研究所李儒新、田野和宋立伟团队在太赫兹波电子加速领域取得重要进展。研究团队基于上海光机所新一代超强超短脉冲激光综合实验装置，利用超强超短激光驱动丝波导产生毫焦耳级太赫兹表面波，并采用表面波进行电子加速，解决了高能量太赫兹波产生以及自由空间太赫兹波至波导能量耦合效率低等难题。该项研究将太赫兹波的产生、传输及耦合集成到波导上，并在波导管中5mm距离实现了最高1.1 MeV的电子能量增益和210 MV/m的平均加速梯度，较当前太赫兹波加速电子能量增益的世界纪录提升了近一个量级，同时为全光学集成化电子加速器研究开辟了崭新途径。相关研究成果于2023年7月13日以“Megaelectronvolt electron acceleration driven by terahertz surface waves”为题发表于《自然光子学》(Nature Photonics)期刊。 　　小型化集成化的电子加速器将极大地推动其在前沿科学与技术领域的广泛应用。利用太赫兹波驱动电子加速作为近十年来发展的新兴加速技术，能够提供比传统射频加速更高的加速梯度，是实现小型化、低成本加速装置的可靠途径之一，有望将加速器的应用推广向包括小型实验室、医院等在内的更多应用场景。 　　当前发展的太赫兹电子加速基于自由空间的太赫兹源技术，太赫兹波产生后，经收集、传输、偏振转换，再聚焦至用于加速电子的波导结构。实验上，为了尽可能提高波导内部的太赫兹加速梯度，需要太赫兹源提供足够的能量以弥补光路中散射、反射，以及模式转换的能量损耗。常见的太赫兹源，例如基于光学晶体产生的太赫兹辐射通常需要经过光学元件的收集及导引，并通过分段波片或相移片进行模式转换，不可避免地造成能量损失。相比自由空间的太赫兹辐射，束缚于介质表面的光学表面波，如表面等离极化激元(surface plasmon polaritons, SPP)，为太赫兹的导引与模式转换提供了全新的思路。 　　研究团队近年来在小型化的激光加速电子源与辐射光源等领域长期探索，并于近期发现了太赫兹表面等离极化激元相干放大机制(Nature 611, 55–60 (2022))，能够实现高功率表面等离极化激元相干辐射源。围绕轴对称金属圆柱形波导上的太赫兹表面等离极化激元的索莫菲波属性，以及对低色散基横磁(TM)模式，研究团队进一步将此高功率的太赫兹表面等离极化激元直接与加速波导耦合，实现了85%的耦合效率，能有效将飞秒激光泵浦金属圆柱波导产生的毫焦耳级太赫兹能量与电子束作用，并最终在5mm长度上使电子获得最高1.1 MeV的能量增益及210 MV/m的平均加速梯度，将当前国际上太赫兹波驱动的电子能量增益最好结果提升了近一个量级。 　　未来，研究团队将基于这一太赫兹表面波模式驱动电子加速的全新方案进一步发展集成化的全光学电子加速技术，并拓展其在小型辐射源及材料检测等领域的交叉应用。 　　相关研究工作的合作团队包括北京航空航天大学与张江实验室等，该工作共同第一作者为上海光机所博士研究生余谢秋与特别研究助理曾雨珊，工作得到了科技部重点研发计划、中科院先导B、基础研究特区计划、中科院人才引进计划、国家自然科学基金、中科院青促会和上海市科技启明星扬帆计划等支持。图1 太赫兹表面波驱动电子加速实验示意图图2 实验测得的最大电子能量增益结果图3 自由空间(a)与金属圆柱波导(b)太赫兹耦合状态下，加速波导内的电场强度对比(c)

中国第39次南极科学考察期间，中国科学院紫金山天文台牵头完成了南极内陆太赫兹天文试观测和通信收发等实验。紫金山天文台科考队员已乘坐极地考察船离开南极中山站，返航回国。中国南极昆仑站所在的冰穹A是独一无二的地面太赫兹天文观测优良台址，也是具有重要战略意义的科学考察地。中国第39次南极科学考察队于2022年10月先后随“雪龙2”号和“雪龙”号极地考察船从上海出发赴南极，并在时隔三年后再次派遣内陆队赴昆仑站、泰山站考察。紫金山天文台科研人员参加了此次南极内陆科学考察，携带一套我国自主研发的南极太赫兹探测实验系统，包括太赫兹超导接收机、太赫兹信号源、低温制冷机和小型高精度天线等自主研制的关键核心设备。科研人员分别在昆仑站和泰山站开展了太赫兹天文试观测和通信收发演示实验，首次实现我国自主研制太赫兹探测设备在南极内陆极端环境下的成功运行，并精确测定冰穹A地区0.5THz观测窗口大气透过率，进一步完善了前期太赫兹天文台址测量结果，对未来南极内陆太赫兹天文观测具有指导意义。本次实验还首次实现南极内陆地区公里级0.5THz频段太赫兹信号收发实验，为今后在南极深入开展下一代通信技术研究和实验验证奠定了基础。本次实验由紫金山天文台和中国极地研究中心联合组织实施。实验设备由紫金山天文台牵头，中国科学院理化所、中国电科集团54所、中国工程物理研究院和上海师范大学“史生才院士工作站”联合研制。相关工作得到国家自然科学基金委和中国科学院的支持，以及中国第39次南极科学考察内陆队的通力协作。2022年10月31日，紫金山天文台科考队员乘坐极地考察船启航科考队员紫金山天文台任远研究员在昆仑站工作

他们，研制了我国第一台毫米波天文超导接收机；他们，在国际上首次实现高能隙氮化铌超导隧道结的天文观测；他们，研制了目前世界上最前沿的超导热电子混频器；他们，实现了我国首例千像元太赫兹超导成像阵列芯片… … 他们是中国科学院紫金山天文台太赫兹超导空间探测技术研究青年团队（以下简称太赫兹团队），多年来专注国际前沿太赫兹超导探测技术和空间天文应用研究，目前正在承担中国空间站巡天望远镜“高灵敏度太赫兹探测模块”研制任务，有望实现我国太赫兹超导探测技术在空间应用“零”的突破。 近日，这支年轻的团队被授予“中国科学院青年五四奖章集体”称号。仰望星空 探索未知 仰望星空是人类探索未知的本能，而宇宙的绮丽无法靠想象感知，只有“看见”才能了解。 “太赫兹天文探测能探索宇宙最久远的过去，为我们解释现代天文学中最重要的前沿问题提供先端手段。”太赫兹团队负责人、紫金山天文台研究员李婧告诉《中国科学报》。 在电磁波谱中，太赫兹波段包含部分毫米波、全部亚毫米波和部分远红外，其波长从3毫米到30微米，频率覆盖0.1～10太赫兹（太，T=1012）。太赫兹位于微波和红外之间，其研究手段也处于电子学向光子学过渡的区域，具有指纹性、穿透性和安全性等重要特性。 关于指纹性，李婧解释道，物质的晶格振动和分子转动等引起的能级跃迁都对应在太赫兹谱段，而不同物质的光谱位置、强度、形状均有差异，具有指纹般的唯一性，常被称作为太赫兹“指纹谱”。 不同于X射线对人体可能存在伤害，由于水对太赫兹具有强烈的吸收，因此太赫兹不会对物体尤其是生物组织产生有害的电离反应。 李婧介绍，当前，太赫兹超导探测技术可分为相干探测和非相干探测两大类。其中，太赫兹相干探测器可以同时探测信号的幅度和相位信息，主要应用于高频率分辨率的分子和原子谱线观测，以及具有高空间分辨率的天线干涉阵列；太赫兹非相干探测器则只能探测信号的幅度信息，而不获取其相位信息，主要应用于连续谱成像观测和宽频带中低分辨率谱线观测。 “成像还是光谱？天文学家都要。”李婧指出，根据科学目标的不同，天文学家对观测技术的需求也不尽相同：有时会需要大天区的多色成像，有时也需要高频率分辨率的谱线观测。坚守初“芯” 攻坚克难 据了解，地球大气层对太赫兹信号的强烈吸收一定程度上制约了太赫兹地面观测的能力，为了让中国在该领域站在国际前沿，将观测平台从地面移到太空几乎是必经之路。 李婧向《中国科学报》介绍，太赫兹探测技术的核心是“超导探测器”，是人类关于星空梦想的基石，更是重要的关键核心技术。 几十年来，从薄膜生长，到芯片制备，再到接收机系统集成与表征，太赫兹团队坚持自主的研发与研制路线，突破重重技术关卡。 李婧还记得当年团队在开展研究之初，一些发达国家已经在超导芯片的研制方面具备明显优势。“虽然我们实验室有超导探测技术研究方向的国际知名专家，但工作中仍然会遇到很多困难，比如：缺乏配套的超导芯片制备平台和实验仪器条件等。” 随着实验条件的逐步改善，太赫兹团队坚守初“芯”，攻坚克难，通过持续潜心研究，解决了技术瓶颈背后的基础物理问题。 “目前，我们已经成为国际上少有的完全掌握四种太赫兹天文主流探测技术的团队。”李婧说，“有了这些自主的关键核心技术支撑，我国的太赫兹天文发展之路上，就没有了关于探测器的后顾之忧，更不会受制于人。” 现在，太赫兹团队承担“高灵敏度太赫兹探测模块”研制任务，其技术指标达国际前沿。但李婧也指出：“作为我国首次空间太赫兹超导探测技术应用，其难度和挑战可想而知。”绽放芳华 无悔青春 这些年来，在中国科学院院士史生才的指导下，太赫兹团队迅速成长，曾获江苏青年五四奖章集体，其科研成果获国家科技进步奖二等奖、中国电子学会科技进步二等奖等奖励。 在太赫兹团队成员25人中，李婧是仅有的3名女性之一。她还记得自己2002年来到紫金山天文台读博士研究生，也是在那时首次接触到太赫兹超导空间探测技术研究。 “当时感觉这项工作不太适合女生，不仅需要经常拆装和搭建很重的低温实验仪器，有时还需要出野外。”这是李婧对该研究的第一印象。 但她没有知难而退，李婧带领太赫兹团队经常身裹实验服，“泡”在无尘实验室里，一待就是数个小时。与她为伴的是设备运行的嗡嗡轰鸣声、是化学试剂散发的刺鼻气味、是口干舌燥却不能饮水的坚持与隐忍。 惟其艰难，方显勇毅；惟其磨砺，始得玉成。历经挫折与荆棘，太赫兹团队终于研制出高性能的氮化铌超导隧道结混频器芯片，将我国太赫兹高能隙低温超导探测的水平推进到国际前列。 “高灵敏度超导探测器的测试，经常会收到轻微振动的干扰。”李婧说，为排除周边环境引起地面振动给实验结果带来的影响，我们经常选择凌晨做实验，白天进行数据分析。” 为了能选出适合太赫兹天文观测的优良台址，太赫兹团队成员无数次登上5100米以上的高海拔地区，顶着强风、忍着高反，他们在零下几十度的环境中调试设备，一干就是十几天。这些坚守的背后，是家里牙牙学语、蹒跚学步的孩子，是年近高龄、甚至身缠重病的老人。

记者日前从中科院苏州纳米所获悉，该所成功研制出在室温下工作的太赫兹自混频探测器，从而填补了该类探测器的国内空白。　　据了解，作为人类尚未大规模使用的一段电磁频谱资源，太赫兹波有着极为丰富的电磁波与物质间的相互作用效应，不仅在基础研究领域，而且在安检成像、雷达、通信、天文、大气观测和生物医学等众多技术领域有着广阔的应用前景。目前，室温微型的固态太赫兹光源和检测器技术尚未成熟，众多太赫兹发射&mdash 探测应用还处于原理演示和研究阶段。室温、高速、高灵敏度的固态太赫兹探测器技术是太赫兹核心器件研究的重要方向之一。　　自2009年起，苏州纳米所秦华、张宝顺、吴东岷课题组就致力于太赫兹波&mdash 低维等离子体波相互作用及其调控研究。该团队在2009年年底取得突破性进展，在GaN/AlGaN高电子迁移率晶体管的基础上研制成室温工作的高灵敏度高速太赫兹探测器，首次实现了对1000GHz的太赫兹波的灵敏检测。　　经过3年多的技术攻关，研究团队进一步突破了太赫兹天线、场效应混频和器件模型等关键技术，掌握了完整的场效应自混频太赫兹探测器技术。　　目前，苏州纳米所研制的太赫兹探测器探测频率达到800～1100GHz，电流响应度大于70mA/W，电压响应度大于3.6kV/W，等效噪声功率小于40pW/Hz0.5，综合指标达到国际上商业化的肖特基二极管检测器指标，并成功演示了太赫兹扫描透视成像和对快速调制太赫兹波的检测。　　据介绍，该项技术可进一步发展成大规模的太赫兹焦平面成像阵列和超高灵敏度的外差式太赫兹接收机技术，为发展我国的太赫兹成像、通信等应用技术提供核心器件与部件。

一位特工正在和时间赛跑，他知道炸弹就在周围。他跑到一个拐角，发现小巷内堆满了可疑的纸箱。他急忙掏出手机，快速地逐个扫描面前的箱子，包装内的物品一一展现。千钧一发之际，手机屏幕上出现了爆炸装置的轮廓，形势瞬间扭转，待爆炸装置运行中止时，他才长出了一口气。　　看起来像是电影情节?但这一幕却很有可能成为现实，而这要得益于美国加州理工学院工程师们开发出的一种低成本的微小硅芯片。这种成像芯片能够产生并发射出高频的电磁波，即太赫兹(THz)波。当它处于尚未被完全开发的电磁光谱区域，介于微波和远红外辐射之间，能够渗透多种材料，却不会出现X射线的电离损伤。　　在扫描和成像领域应用潜力大　　把这种新型微芯片整合进手持设备中，能够应用于国家安全、无线通信、医疗保健甚至非接触式游戏研发等多个方向。未来，这一技术还有望为非侵入式的癌症诊断提供帮助。相关研究报告发表在最新一期的电气电子工程师学会(IEEE)《固态电路杂志》上。　　该校的电气工程系教授阿力· 哈基姆瑞说：&ldquo 利用与制造现今手机微芯片同样成本低廉的集成电路技术，我们研发出了比它们运行速度快300倍的硅芯片。这些芯片将为制造下一代十分多能的传感器奠定基础。&rdquo 　　频率从0.3THz到3THz的太赫兹波，具有在扫描和成像等领域的应用潜力。这些电磁波能轻易渗透包装材料，使得探测材料内部信息成为可能。例如，陶瓷、硬纸板和塑料制品等对太赫兹电磁辐射而言就是透明的，因此太赫兹波可以作为X射线的非电离和相干的互补辐射源，用于机场、车站等地的安全监测，比如探查枪械、生物武器、爆炸物和毒品等隐藏的非法物品。然而现有的太赫兹设备多为笨重而昂贵的激光装置，有时甚至需要处于低温环境。而技术的匮乏，也使太赫兹成像和扫描的发展停滞不前。　　为了实现太赫兹波在这一领域的应用，哈基姆瑞和考西克· 森古普塔使用了互补金属氧化物半导体，即通常会被用于电子设备芯片制造中的CMOS技术，来设计具有全面集成功能的、可在太赫兹频率运行的硅芯片，而其尺寸只有指尖大小。研究人员表示，这使太赫兹波成像成为了可能。新芯片能够激发比现有途径强劲1000倍的信号，而发出的太赫兹信号能在特定方向被动态程控，使它们成为世界上第一个集成的太赫兹扫描阵列。借助这种扫描装置，研究人员能够发现藏在塑料制品中的剃须刀片，或者确定动物组织中脂肪和肌肉的分布，诊断人体烧伤部位的损伤程度，以及植物叶片组织的水分含量分布等。而太赫兹成像技术与其他波段的成像技术相比，所得到探测图像的分辨率和景深也均有明显提高。&ldquo 这并不是在谈这项技术的潜能，而是切实地展现出它的实际效用。第一次看到太赫兹扫描图像时，我们都屏住了呼吸。&rdquo 哈基姆瑞说。　　新研究克服了诸多技术限制　　事实上，研究小组克服了诸多技术限制，才将CMOS技术转变成了可运行的太赫兹芯片。每个晶体管都具有一个截止频率，在这一频率之上信号放大就无法实现，而标准的晶体管亦不能在太赫兹频率放大信号。为了解决截止频率的难题，科学家尝试令多个晶体管一起工作。在正确的频率和时间结合它们的力量，来促进集体信号的强度提升。借助新的晶体管操作方法，可使晶体管保持在截止频率之上40%至50%，并能产生较大的功率。&ldquo 就像一群蚂蚁联合起来，也能做到大象所能做到的事情，而且不止于此。&rdquo 森古普塔解释说。　　科研人员还解决了太赫兹信号的发射和传输。在如此高的频率下，无法按常理使用导线，而传统的天线在微芯片尺寸效率也很低下。因此，科学家将整个硅芯片当作天线，集成了芯片上的金属部分，在特定的时间和强度一起发射信号。整个解决方案囊括了集成电路、天线、电磁学和应用科学等多领域的创新，可谓十分全面。此外，IBM公司亦有助于此次的芯片制造。

一、自由空间是什么？在样品管安装在静态体积法仪器上时，样品管内除去样品体积外，剩余管内空间的体积称为自由空间体积。在测试过程中，需要精确地了解自由空间体积，并且必须维持自由空间体积恒定。一般情况下，会在常温状态下先测试一次自由空间，然后升起杜瓦瓶，在液体冷却剂（一般为液氮）温度下测试一次自由空间。后者称为冷自由空间。如果在分析过程中冷自由空间发生变化，会对样品管中气体量的计算带来相当大的误差。美国麦克仪器公司在20世纪80年代中期，首次引进了专利等温夹套技术用于进行冷自由空间温度控制。二、美国麦克仪器公司1987等温夹套产品介绍采用BET技术进行材料比表面积和孔径分布分析，需要通过低温气体吸附来完成。在这个过程中，需要精确地了解测试系统所有组件的压力、体积和温度，才能精确地计算出测试气体的量。由于气体吸附是发生在低温状态下的，而测试系统的其他组件都处于常温状态，所以在将低温样品连接在常温体系时，必须保证温度稳定。如果不能进行适当的控制，在这样一个互相连接且温度梯度极大的情况下，冷却剂的挥发将会引起冷却区域大小的变化，从而影响到气体量的测试和气体吸附测试结果。如下图所示，将装载着样品的样品管浸没在液氮中，直接连接到仪器的其他组件上，温度梯度空间将随着液氮的挥发和液氮液面的降低而增加。增加了样品管的不确定温度体积。 目前有一种方法是通过调整杜瓦瓶的位置来维持冷却区间体积恒定，主要是通过随着液氮液面降低，不断地抬高杜瓦瓶来实现。这种方法的确能够有效的维持浸没在液氮内的样品管体积恒定，但是必须确保最初在常温下暴露的样品管的高度足够。但是即便采用这种方法，温度梯度依然存在，并且仅能获得部分的蒸发补偿。 在20世纪80年代中期，美国麦克仪器公司采用了一种传统的方式来维持液氮液面，即使用一种转移工具，直接连接杜瓦瓶和液氮罐，随着液氮液面的挥发，不断向杜瓦瓶中加入新鲜的液氮。如下图所示。这种方法非常有效，但是需要准备以下这个转移设备： 1987年,美国麦克仪器公司引入了专利等温夹套技术，它能够为维持冷自由空间恒定提供极佳的稳定性。等温夹套由一种多孔材料制成，使用时直接套在样品管周围即可。只要等温夹套的最底端浸没在液氮中，多孔材料就能够确保液氮一直维持在样品管杆的周围，且高度不变。这样即便杜瓦瓶中仅剩少量液氮，也能够保持样品管冷自由空间维持不变。如果测试时间过长，可适时地补充新鲜的液氮。等温夹套在使用过程中没有任何损耗，是一个真正的长期解决方案，如下图所示：选自“Application Note-The Principles and Theory of the Isothermal Jacket for Free Space Control in Gas Absorption”

近日，中科院合肥研究院强磁场中心盛志高研究团队依托稳态强磁场实验装置成功研发了一种主动智能化的太赫兹电光调制器。相关研究成果发表在国际期刊 ACS Applied Materials & Interfaces 上。虽然太赫兹技术具有优越的波谱特性和广泛的应用前景，但其工程应用还严重受制于太赫兹材料与太赫兹元器件的开发。其中，围绕智能化场景应用，采用外场对太赫兹波进行主动、智能化的控制是这一领域的重要研究方向。瞄准太赫兹核心元器件这一前沿研究方向，强磁场中心磁光团队继2018年发明一种基于二维材料石墨烯的太赫兹应力调制器[Adv. Optical Mater. 6, 1700877(2018)]、2020年发明一种基于强关联氧化物的太赫兹宽带光控调制器[ACS Appl. Mater. Inter. 12, 48811(2020)]、2021年发明一种基于声子的新型单频磁控太赫兹源[Advanced Science 9, 2103229(2021)]之后，选择关联电子氧化物二氧化钒薄膜作为功能层，采用多层结构设计和电控方法，实现了太赫兹透射、反射和吸收多功能主动调制（图a）。研究结果表明，除了透射率和吸收率，反射率和反射相位也可被电场主动调控，其中反射率调制深度可以达到99.9%、反射相位可达~180o调制（图b）。更为有趣的是，为了实现智能化的太赫兹电控，研究人员设计了一种具有新型“太赫兹-电-太赫兹”的反馈回路的器件（图c）。不管起始条件和外界环境如何变化，该智能器件可以在30秒左右自动达到太赫兹的设定（预期）调制值。（a）基于VO2的电光调制器示意图（b）透射率、反射率、吸收率和反射相位随外加电流变化（c）智能化控制原理图这一基于关联电子材料的主动、智能化太赫兹电光调制器的研发为太赫兹智能化控制的实现提供了新的思路。该工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、强磁场安徽省实验室方向基金的支持。文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c04736

近日，由中国科学院国家天文台等单位科研人员组成的中国脉冲星测时阵列研究团队，利用中国天眼FAST，探测到纳赫兹引力波存在的关键性证据，表明我国纳赫兹引力波研究与国际同步达到领先水平。相关研究成果于北京时间6月29日在我国天文学术期刊《天文与天体物理研究》在线发表。　　纳赫兹引力波是引力波的一种，是宇宙中一种极低频扰动，其频率为10的负9次方赫兹。纳赫兹引力波由于频率极低、周期长达数年，其波长可达数光年，对它的探测十分具有挑战性。　　中国科学院院士、中国科学院国家天文台台长常进指出，纳赫兹引力波主要是为人类打开了观测宇宙的一个重要“窗口”，肯定会有许多物理上的重大发现。用纳赫兹引力波，科研人员可以研究宇宙的超大质量天体，像黑洞、超大质量黑洞，星系的形成、演化、合并，还有宇宙早期的结构等。这些都是天体物理的重大科学问题。　　利用类似于我国的500米口径球面射电望远镜FAST这种大型射电望远镜对一批自转极其规律的毫秒脉冲星进行长期测时观测，是纳赫兹引力波目前已知的唯一探测手段。　　中国科学院国家天文台研究员、北京大学研究员李柯伽介绍，实际上真正的引力波探测器是那些脉冲星，科研人员用大型的望远镜就是去读这些脉冲星的信号，把这些脉冲星作为一个非常标准的“钟”在用，读这些“钟”的信号，来获取时间，来判断空间怎么样受到了引力波的影响。　　在此次研究工作中，中国脉冲星测时阵列研究团队利用FAST对银河系中的57颗毫秒脉冲星进行了长期系统性监测，将这些毫秒脉冲星组成了一个银河系尺度大小的探测器来搜寻纳赫兹引力波。该团队充分利用FAST灵敏度高、可监测脉冲星数量多、测量精度更高的优势，基于自主开发的软件，对FAST收集的时间跨度为3年5个月的数据进行了分析研究。在误报率小于五十万分之一的前提下，发现了纳赫兹引力波存在的证据。中国科学院院士、中国科学院国家天文台台长常进介绍，证据就是脉冲星到达的时间，由于纳赫兹引力波产生的时空涟漪，产生的这个晃动。脉冲星角度的一个变化，这是纳赫兹引力波存在的一个重要的依据。他们看到了这种变化。　　研究纳赫兹引力波对人类探索宇宙意义深远　　引力波是由加速运动的有质量物体扰动周围的时空而产生的时空涟漪，其信号极其微弱，却是探测宇宙中不发光物质的直接手段，探测引力波并且开辟引力波观测宇宙的新窗口是天文学家长期以来追求的目标，并且对人类探索宇宙意义深远。　　1916年，爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。2016年，美国激光干涉引力波天文台宣布在百赫兹频段探测到恒星级质量双黑洞并合产生的引力波，并因此获得了2017年诺贝尔物理学奖。更大质量的天体产生的引力波频率更低。例如，宇宙中质量最大的天体，星系中心的超大质量双黑洞系统绕转产生的引力波主要集中在纳赫兹频段。在这个频段内，甚至还有宇宙早期原初引力波残存至今的部分和宇宙弦产生的引力波。　　几十年来，各国天文学家一直在为探测神秘的引力波而努力。发现纳赫兹引力波更是国际物理和天文领域竞赛的焦点之一。美国、欧洲、澳大利亚，利用各自的大型射电望远镜，已分别开展了长达20年的纳赫兹引力波搜寻。近年来，中国、印度、南非等国也逐渐开展纳赫兹引力波的探测研究。中国科学院于2016年6月部署了“多波段引力波宇宙研究”战略性先导科技专项，2019年9月，中国天眼FAST还处于调试阶段，中国脉冲星测时阵列研究团队就联合FAST调试工作组开始试观测，尽可能早地为探测纳赫兹引力波积累观测数据。　　中国科学院院士、中国科学院国家天文台台长常进说，他们将进一步围绕纳赫兹引力波，开辟纳赫兹引力波天文学这个新的科学方向，并继续保持我国在低频射电天文学方面的国际领先地位。

华盛顿2010年7月11日电(记者任海军)美国纽约州伦斯勒理工学院11日发布新闻公报称，该机构研究人员日前在美国国防部大力资助下研制出一种太赫兹遥感设备，可在20米外探测目标物体是否装有爆炸物。　　公报说，这一设备借助激光诱导荧光生成可以与太赫兹波相互作用的等离子体，后者可在20米外获得目标物体的太赫兹波“指纹”(波谱)。由于每种物质都有独特的太赫兹“指纹”，将目标物质的“指纹”与探测器中事先已存储的大量太赫兹波谱对比，可以判定目标物体性质及其内部情况。　　太赫兹波是指频率在0.1太赫兹至10太赫兹(波长为3000微米至30微米)范围内的电磁波，在电磁波谱上位于微波和红外线之间。这一波段的电磁辐射具有很强的穿透能力，可以作为一种特殊的“探针”用来对物质内部进行深入研究。　　研究人员研制的新设备可以“看透”衣服和包装物，迅速确定除金属和液体外的几乎所有其他物质的太赫兹“指纹”，而且与X射线检测设备不同，它基本不威胁人体健康。　　研究人员表示，这一设备携带方便，可用于遥感探测机场丢弃的背包、行李中是否有爆炸物、非法药品或其他危险物质 在军事上，它可以用于搜寻炸弹藏匿处。　　研究人员预测，几年以后，太赫兹科技将更广泛地应用于工业和防务相关领域。　　这项研究成果11日发表在英国《自然光子学》杂志上。

太赫兹频段（0.1-10THz）是探测早期冷暗宇宙及宇宙生命环境等的独特波段。太赫兹天文学的兴起得益于高灵敏度超导探测技术的发展。近年来，类似于光学CCD的太赫兹大规模阵列超导探测器技术发展迅速，在宇宙学和天体物理学研究中发挥越来越重要的作用。这类探测器主要包括超导动态电感探测器（KID）和超导相变边缘探测器（TES）两种技术。其中，KID探测器具有器件结构和读出电路均相对简单的优势，更易于实现超大规模阵列。 　　近期，中国科学院紫金山天文台毫米波和亚毫米波技术实验室在超导KID探测器技术研究方面取得新进展，基于相对较厚（120nm）的超导铝膜，在同一芯片上制备了0.35/0.85/1.4THz三频段超导KID探测器，并在1皮瓦（pW）以上光辐射时均观测到光子涨落导致的背景噪声，在1飞瓦（fW）以下光辐射时观测到准粒子产生—复合噪声，探测灵敏度达6×10-18 W/Hz0.5，远优于地面太赫兹天文观测的背景极限。 　　该研究有助于推动对超导KID探测器噪声机理的深入理解及未来更大规模、更高灵敏度太赫兹天文相机研制。 　　相关研究成果发表在《中国科学（英文）》上。研究得到国家杰出青年基金项目、中科院关键技术研发团队项目支持。 　　论文链接

1、前言随着半导体封装变得更小、集成度更高，使用非破坏性、高分辨率技术定位故障的能力变得越来越重要。对失效分析手段提出了挑战，故障高分辨率定位能力的需求逐渐增大。为满足这些要求，Advantest开发了TS9001TDR方案，该系统分析通过利用专有的短脉冲信号处理技术进行高分辨率时域反射测量（Time Domain Reflectometry, TDR），对先进半导体封装、电子元件和印刷电路板中的导线故障区域进行快速、高精度和无损分析。 2、主要应用以3D集成电路为代表的高密度集成电路中存在着无限小的布线结构，布线故障在封装、印刷电路板封装过程中频繁出现。检测故障点需要几十微米分辨率。由于上升时间（约20ps）和抖动（约1ps）的限制，传统示波器TDR方法的故障距离分辨率仍保持数百微米的分辨率。使用TS9001TDR系统可以准确分析各种尖端半导体封装的布线质量，如倒装芯片BGA、晶圆级封装和2.5D/3D IC封装，能够直接连接客户的射频探测系统，针对其设备形状和故障分析环境，实现高速、高分辨率的测量，提供灵活的解决方案。（1） 高度集成的集成电路封装故障分析1) 封装引线故障分析：确定引线故障点位于Si Interposer内还是封装内，识别故障是由预处理还是后处理中的因素引起的2) C4 Bump故障分析：利用测试回路确定和分析安装Si Interposer的条件，对测试回路的菊花链结构进行故障点分析，并对安装条件进行反馈3) TSV、Micro-Bump故障分析：识别层压芯片的故障层4) 印刷电路板PCB故障分析：识别PCB板中通孔和信号线的故障点3、原理与优势（1）原理与技术太赫兹脉冲时域反射计的原理参见上图。其利用两个的飞秒激光器分别泵浦光电导电线，产生高频的太赫兹脉冲信号。飞秒激光器的中心波长1550nm，脉冲宽度50fs。其中，一个飞秒激光器的重复频率50MHz，另一个激光器的重复频率稍有区别。采用两个激光器的重复频率稍有差别的缘由在于，利用两个激光器的差频延迟，可以实现高频太赫兹信号的产生和探测。其工作是高频太赫兹信号通过探针接触芯片的管脚，高频太赫兹信号在芯片封装的引线中传播。当芯片封装没有开断路时，高频太赫兹沿着引线向前传播；当芯片封装的引线等出现开路时，将反射回正峰脉冲信号；当芯片封装引线出现短路时，将反射回负峰脉冲信号。（2）技术优势为了识别故障点，常用的封装无损检测方法包括光发射显微镜(emission microscope)和示波器时域反射计(Time domain Reflectometry, TDR)等，但是这些无损检测方法受到时域信号抖动的限制（信号抖动约1ps），导致分辨率不高，不能定位微米级的失效位置，无法以高分辨率检测开路、短路故障。故亟需高分辨率时域反射计，以提供快速且精准的失效定位。Advantest通过独有的光学采样和电短脉冲生成技术，借助飞秒激光技术，产生抖动小于30fs的超短采样脉冲。可以实现5μm的故障定位分辨率。通过使用自动探针的自动触地功能，进行精确的可重复测量，具有更高精度和效率的故障位置测量。TS9001TDR系统通过自动探针和与CAD设计联动，实例分析芯片封装的引线开路和短路故障定位，可以直观快速定位芯片封装的故障点，实现先进封装的失效分析。4、国内外发展现状Advantest的TS9001TDR系统中采用两个超短脉冲激光器异步采样，采取异步采样技术可以使系统不再需要机械式的光学延迟线，并且具有超高速的信号扫描速度。是目前全球独一的技术，目前国内外没有同类设备。5、发展趋势随着晶圆代工制程不断缩小，摩尔定律逼近极限，先进封装是后摩尔时代的必然选择，3D封装迅猛发展。作为一种全新的实现定位方法，在未来的几年里，太赫兹TDR技术将继续保持高速发展的势头。随着关键技术的不断发展，相关产品的种类将越来越丰富，行业应用和相关配套服务也将越来越广泛。搭载脉冲电磁波产生和高速采样的超短脉冲光纤激光器的太赫兹TDR设备，有助于半导体3D封装的故障分析。 6、总结与展望 在实际芯片测量过程中，太赫兹脉冲信号耦合至芯片内部衰减较为严重，对于太赫兹脉冲的信噪比提出了很高的要求。为了进一步提高测量精度和芯片内的传输路径，提高信噪比是亟需攻克的问题。另外芯片内部的引线存在阻抗不匹配又没有完全开路的情况，对于这类Soft Open的芯片检测，TDR波形分析需要结合信号模拟仿真，增强对信号的解读。对于材料的吸收系数、折射率、介电常数等光谱特性，可以用太赫兹时域光谱仪表征，这也是爱德万测试太赫兹技术的核心应用。目前爱德万测试已经有太赫兹时域光谱成像系统，通过发射和接收时域太赫兹信号至样品，可以实现生物医学样品、食品农产品、化学品、复合材料、通讯材料等的光谱特性表征。（爱德万测试(中国)管理有限公司 供稿）

新华社柏林电 德国两家科研机构2010年5月28日报告说，它们合作开发出一种可探测宇宙射线的小型太赫兹激光仪，由于重量轻，该设备可以在科研用飞机上使用，从而方便科学家研究宇宙奥秘。　　德国航空航天中心与保罗・ 德鲁德固体电子研究所在一份新闻公报中说，科学家常常借助先进的波谱学方法研究宇宙中的各种微粒，由此探寻恒星和行星演变的来龙去脉。这些微粒发射出的射线常常在0.3到10太赫兹的频率范围内，介于微波和红外线之间。科学家尤其对包含众多信息的4.7太赫兹左右的射线感兴趣，但这些射线会被地球大气层吸收，因此在地面无法测量到，需要将有关设备运到高空进行探测。　　德国新研制的这种太赫兹激光仪输入功率只有240瓦，总重量仅15千克，设备核心部件是一个只有几毫米大小的量子级联激光器。

近日，国际学术期刊《Deep-Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers》在线发表了题为“Development and deployment of lander-based multi-channel Raman spectroscopy for in-situ long-term experiments in extreme deep-sea environment”的文章，报道了中国科学院海洋研究所成功研制国际首套多通道深海拉曼光谱探测系统，实现了冷泉喷口流体、天然气水合物动力学过程、冷泉生物群落的长期原位观测与现场实验，在我国南海冷泉区域构建首套深海原位光谱实验室。 　　研究团队前期研发的探针式深海激光拉曼光谱探测系统已常态化应用到深海沉积物孔隙水、冷泉和热液喷口流体、化能合成生物群落内部流体、天然气水合物以及冷泉和热液喷口系统附近岩石矿物的原位探测与定量分析。但是，随着对深海热液和冷泉系统研究的深入，科学家逐渐认识到深海热液或冷泉系统是有机统一的整体，冷泉和热液活动在时间和空间上都具有强烈的不均匀性。已有的深海原位拉曼光谱仪的探测是短期瞬时且相对独立的，难以捕捉冷泉和热液系统等高动态和非均匀环境中不同目标之间的动态规律和潜在联系。 　　为此，研究团队研制了国际上首套深海多通道拉曼光谱探测系统（Multi-channel Raman insertion probes system, Multi-RiPs），研发光路切换技术，实现了主要光学器件（如激光器、光谱仪、光电传感器等）的分时复用（如图1所示），结合系列化拉曼光谱探针，实现了深海热液、冷泉系统中流体、固体、气体等不同相态目标物的长期原位监测。 图1 多通道拉曼光谱探测系统关键光学器件布局图和光路切换原理示意图 　　为了明确甲烷在深海冷泉喷口附近的转换通道以及冷泉区域的甲烷释放通量，研究团队使用深海多通道拉曼光谱探测系统搭载深海坐底长期观测系统（Long-term ocean observation platform, LOOP）于2020年、2021年、2022年前后3次布放于我国南海北部的台西南冷泉区域（如图2所示），实现了冷泉喷口流体中主要成分、天然气水合物与深海环境的耦合变化过程、冷泉生物群落内部甲烷氧化过程的长期原位探测与现场实验，成功建设国际首套深海原位光谱实验室，并常态化运行。 图2 Mulit-RiPs搭载LOOP连续三年（a：2020年；b：2021年；c：2022年）布放于我国台西南冷泉区域对深海原位实验进行探测与分析 　　论文第一作者为海洋所副研究员杜增丰，通讯作者为海洋所研究员张鑫。研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、中国科学院战略性先导专项等项目联合资助。

在满足目前各种应用需求的前提下，光谱分析仪器和方法也在不断的创新发展中，不论是分子光谱还是原子光谱都涌现了一系列创新的成果，特别是拉曼光谱、近红外光谱、激光诱导击穿光谱、太赫兹、超快光谱、荧光相关光谱、高光谱等相关技术彰显了极具诱惑的市场活力，引领着行业发展的方向。第十二届光谱网络会议（iCS 2023）中，近50位专家报告充分彰显了光谱创新潜力，纷纷展示了一系列的创新成果：从仪器整机到关键部件；从系统集成到方法开发；从大型科研仪器，到用于现场的便携、手持设备；从实验室检测设备，到过程分析技术……为了更好的展示这些创新成果，同时也进一步加深专家、用户、厂商之间的合作交流，会议主办方特别策划《光谱创新成果“闪耀”iCS2023》网络专题成果展，集中展示本次光谱会凸显的创新成果，包括但不限于仪器、部件、技术、方法、应用等。天津大学何明霞教授本次会议中，天津大学何明霞教授分享了《太赫兹科学技术应用近年新进展》（点击回看》》》）引发行业关注。会后，我们也再次邀请何明霞教授分享其团队在太赫兹技术及应用拓展方面的系列研究成果。1、成果简介基于太赫兹时域光谱技术的多层非极性复合材料检测系统太赫兹电磁波介于微波与红外之间（0.1THz -10 THz ），处于电子学与光子学的交叉领域，被誉为人类认识世界的“第三只眼睛”、“改变世界的十大科技”。太赫兹具有光子能量低、穿透性强、指纹谱特征、高信噪比、高分辨率、宽频带、瞬态性等独特优势，近年来在工业无损检测领域发展迅速。太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）是一种新型的脉冲全息光谱技术，可获取物质的折射率、吸收系数、介电系数等多个物理参数信息。相比于红外光谱、拉曼光谱，太赫兹光谱覆盖了生物大分子、有机分子等物质独特的特征谱信息；相比于X射线，太赫兹辐射能量低，对人体安全；相比于超声检测、涡流检测，太赫兹检测为非接触式、穿透性更强，可表征多涂层的信息。利用新型的太赫兹技术进行物质光谱检测分析、无损扫描成像及超薄样品测厚应用，弥补传统检测手段不足之处，完成更高精度、更快速安全的检测。本团队基于高信噪比、高灵敏度、安全、快速的太赫兹时域光谱技术，开展在非极性电介质材料缺陷探测成像及微米级多涂层测厚领域相关研究。迭代开发智能化工业机器人手臂及协作控制系统，实现对非极性材料内部缺陷三维层析无损扫描成像，对多层的微米级别超薄涂层厚度可进行每单层的精准测量表征。系统覆盖太赫兹波谱宽度为0.1THz -3THz，太赫兹光纤长度10m，工作重复频率10Hz；无损扫描成像层数可达3层，平面扫描范围180×180mm，空间机械臂延伸测量半径为1.3m，最快扫描速度500mm/s；涂层测厚层数可达3层，最小测厚值可达10μm，绝对精度2μm；且满足空间、异形曲面移动多点位精准快速无损检测需求,具有全自动处理、高精度测量、多层厚度实时计算等优势，为超薄涂层类复合材料提供更加精准、高效和可靠的测量方式，适用于汽车工业、航空航天、锂电池电极、非金属管道、泡沫塑料等多领域无损检测场景。2、产业化探索智能化机器人手臂空间异形曲面无损检测系统在未来是考虑多个领域产业化的，拥有在材料检测、无损探伤、医疗检查，以及文物资料研究等多个领域发展的潜质。太赫兹时域光谱技术本身是一个多领域快速发展的检测技术，其测量方式依赖于平面扫描或者曲面扫描载荷技术，配合样本的空间建模，以完成自动化样本数据有序测量。具体到应用领域，需要根据样品的尺寸、规格以及空间特征，设计低成本、易便携、方便取样的测量装置。比如可以对皮肤表面进行快速扫描成像、对曲面的陶瓷文物信息鉴定等，这些有待合作单位的具体要求。3、课题组未来研究计划太赫兹波在电磁波谱中处于电子学向光子学的过渡区，也是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，其具有光子能量低、穿透性强、指纹谱特征等独特优势。太赫兹时域光谱技术利用飞秒脉冲产生并探测时间分辨的THz电场，通过傅立叶变换获得被测物品的光谱信息，检测过程快速、安全、精度高，且光谱具有物质特征峰，在物质鉴别分析、工业无损检测、产线在线质量监测、安检扫描成像等领域应用潜力巨大，弥补传统检测手段的缺陷不足。本研究团队重点主攻方向为太赫兹工业无损检测方向，分析、利用太赫兹时域光谱，建设标准太赫兹光谱数据库，实现物质太赫兹光谱检测分析、微米级多涂层太赫兹精准测厚及材料内部无损探测成像等多方面太赫兹无损检测研究。4、合作需求关于非极性材料无损扫描探测成像、物质太赫兹光谱检测分析及超薄涂层测厚方面，涉及生物医药、锂电池电极、半导体、复合材料、文物艺术品等领域检测需求可探索合作研究。联系方式：曲秋红 15122743715（手机、微信）附专家及课题组简介何明霞，博士，天津大学精密仪器与光电子工程学院电子物理学与仪器科学与技术专业教授、博导，首届“中国生物物理学会太赫兹生物物理分会”副会长兼秘书长、“毫米波太赫兹产业联盟”太赫兹光谱与检测工作组组长、中国仪器仪表学会图像科学与工程分会秘书长、中国光学学会光电技术专业委员会委员，是“天津大学太赫兹光子学”组建者之一和核心骨干。主要研究方向∶太赫兹光谱技术与成像应用和太赫兹生物效应研究。致力于太赫兹时域光谱技术实用化、多种非极性材料的太赫兹光谱成像无损检测及太赫兹生物医学基础研究，是国内最早将太赫兹光谱技术用于癌症组织、生物组织的研究者。太赫兹光谱技术与成像应用团队以高信噪比、高灵敏度、宽带、安全、快速的太赫兹时域光谱技术为核心，结合汽车工业、航空航天、管道塑材、生物医药、食品安全等领域实际应用需求，开展物质太赫兹光谱检测分析、太赫兹标准光谱数据库建设、非极性材料无损扫描成像、微米级多涂层系统精准测厚、太赫兹辐射成分鉴定以及实用化技术应用产品开发等研发工作。搭建太赫兹光谱与成像系统应用平台，完成三维层析太赫兹光谱快速扫描成像测厚设备及智能化工业机器人手臂空间异形曲面无损检测系统的开发，适用于各类涂层的微米级厚度测量和材料内部缺陷的无损检测，如汽车车身涂层、锂电池隔膜、锂电池电极、泡沫塑材、非金属管道、生物组织样品等，相关研究成果及产品拥有自主知识产权20余项。团队研发并已投入市场应用的全国产化高灵敏度太赫兹相机，适用于现有多种主流太赫兹源辐射探测，对非极性物质材料成像清晰，可在安检成像领域推广使用。针对太赫兹光谱检测市场需求，正进行应用标准化和实用数据库的工作，建立多类物质的开源太赫兹标准数据库，实现物质太赫兹光谱的定性与定量分析检测。

中国科学院紫金山天文台与中国电子科技集团第十三研究所合作，实现了基于超导体-石墨烯-超导体(SGS)约瑟夫森结的太赫兹频段高灵敏度探测器。近期，相关研究成果以A terahertz detector based on superconductor-graphene-superconductor Josephson junction为题，发表在Carbon上。 　　太赫兹频段(0.1-10 THz)介于微波与红外之间，是天文学领域观测早期遥远天体、冷暗天体及被尘埃遮掩而光学不可见天体等的独特“窗口”。在技术上，太赫兹频段处于电子学向光子学的过渡区域，是有待全面开发的电磁谱段。科研人员不断尝试新材料和新技术，以期实现背景极限灵敏度的天文探测。近年来，基于二维石墨烯材料的高灵敏度探测器技术快速发展，特别是二维石墨烯材料和超导材料相结合的SGS约瑟夫森结超导探测器已在微波波段实现，并有望拓展到太赫兹谱段，为研制高灵敏度太赫兹超导探测器开辟新途径。 　　该研究采用高温热解法外延生长的双层石墨烯薄膜作为微桥，连接两个铌(Nb)超导电极，研制出太赫兹谱段基于二维石墨烯材料SGS约瑟夫森结高灵敏度超导探测器。当石墨烯薄膜长度缩短至亚微米尺度时，科研团队观测到铌超导电极与石墨烯微桥间临近效应(Proximity effect)导致的约瑟夫森隧穿现象。研究通过监测石墨烯微桥中因吸收辐射引起的电流变化，即可检测太赫兹辐射信号。科研人员采用低噪声超导量子干涉仪(SQUID)作为该SGS约瑟夫森结探测器的读出电路，在1.4 THz频段和0.1-0.6K温区测得光学噪声等效功率(NEP)为2.5-5×10-16 W/Hz0.5，达到了该频段地面观测背景极限探测灵敏度。该研究首次在太赫兹谱段实现基于SGS约瑟夫森结高灵敏度探测器技术，拓展了二维石墨烯材料的应用方向，为研制天文应用大规模阵列太赫兹探测器提供新的技术途径。 　　研究工作得到国家自然科学委优秀青年科学基金项目、中科院关键技术研发团队项目等的支持。太赫兹超导体-石墨烯-超导体约瑟夫森结探测器示意图(左)和不同偏压下实测探测器灵敏度(光学噪声等效功率/NEP)随环境温度变化(右)

一、项目一（一）项目基本情况项目编号：2024-GFCG-194项目名称：哈尔滨工程大学太赫兹微纳器件测试平台采购项目预算金额：820.000000 万元（人民币）最高限价（如有）：820.000000 万元（人民币）采购需求：名称单位数量简要需求太赫兹微纳器件测试平台套1网络测试系统:①扩展频率范围:50GHz~110GHz，扩展后可实现500Hz~110GHz连续测试 ②最大输出功率:≥+5dBm(50GHz~75GHz)，≥+5dBm(75GHz~110GHz) ③系统动态范围(中频带宽10Hz):≥100dB(50GHz~75GHz)，≥100dB(75GHz~110GHz) 太赫兹天线测试系统:①频率范围:8GHz~110GHz ②反射面尺寸:≥1.2m 静区尺寸:≥0.5m(整个频段) ③交叉极化隔离度:≥30dB(静区中心) 暗室尺寸:≥8mx4mx4m ④实现无源天线和有源天线测量功能，可实现包括增益、幅相方向图、轴比、波束宽度、波束指向等测量功能 太赫兹材料测试系统:①实现射频超材料和器件的电测特性和隐身特性测试，频率范围:2GHz~110GHz:②扩展自由空间法测试频率范围:8GHz~110GHz。 合同履行期限：合同签订后8个月内完成定制、交货、安装、调试并具备验收条件本项目( 不接受 )联合体投标。（二）获取招标文件时间：2024年07月18日 至 2024年07月24日，每天上午8:30至12:00，下午12:00至16:00。（北京时间，法定节假日除外）地点：按本公告第三部分规定方式方式：按本公告第三部分规定方式售价：￥500.0 元，本公告包含的招标文件售价总和（三）对本次招标提出询问，请按以下方式联系。1.采购人信息名 称：哈尔滨工程大学　　　　　地址：哈尔滨市南岗区南通大街145号　　　　　　　　联系方式：0451-55671212　　　　　　2.采购代理机构信息名 称：宜国发项目管理有限公司　　　　　　　　　　　　地　址：哈尔滨市道里区群力第四大道399号汇智广场中楼401　　　　　　　　　　　　联系方式：佟龙、王金丹、朱国凤、郑天琪0451-55671212　　　　　　　　　　　　3.项目联系方式项目联系人：佟龙、王金丹、朱国凤、郑天琪电　话：　　0451-55671212二、项目二（一）项目基本情况项目编号：2440SUMEC/ZWGG2158项目名称：生态环境部南京环境科学研究所固废基多孔材料CO2吸附及催化应用探索仪器设备购置项目预算金额：248.000000 万元（人民币）采购需求：固废基多孔材料CO2吸附及催化应用探索仪器设备购置，具体如下表：包号品目号货物名称数量简要技术要求★合同履行期限预算（万元人民币）11-1专业级生物3D打印机1套详见招标文件第四章 招标技术规格及要求合同签订后30天内281-2高性能比表面积及孔径分析仪1套521-3多组分竞争吸附穿透曲线分析仪（核心产品）1套1161-4多通道光催化反应系统平台1套451-5双恒电位工作站1套7报价超过对应的预算金额作无效投标处理。 合同履行期限：详见采购需求本项目( 不接受 )联合体投标。（二）获取招标文件时间：2024年07月17日 至 2024年07月24日，每天上午9:00至11:30，下午14:00至17:30。（北京时间，法定节假日除外）地点：江苏苏美达仪器设备有限公司，南京市长江路198号14楼方式：具体要求详见其他补充事宜售价：￥500.0 元，本公告包含的招标文件售价总和（三）对本次招标提出询问，请按以下方式联系。1.采购人信息名 称：生态环境部南京环境科学研究所　　　　　地址：薛老师 025-58965821 　　　　　　　　联系方式：南京市蒋王庙街8号 　　　　　　2.采购代理机构信息名 称：江苏苏美达仪器设备有限公司　　　　　　　　　　　　地　址：南京市长江路198号　　　　　　　　　　　　联系方式：文件发售：李婧怡025-84532580，技术咨询：谭一凡025-84532547　　　　　　　　　　　　3.项目联系方式项目联系人：谭一凡电　话：　　025-84532547

p　　由我国科学家自主研发的国内首台高平均功率太赫兹自由电子激光装置，日前在四川成都首次饱和出光。经第三方检测，实验真实可靠且装置运行稳定。我国太赫兹源从此正式进入自由电子激光时代。/pp　　8月29日，由中国工程物理研究院应用电子学研究所牵头的高平均功率太赫兹自由电子激光装置(CTFEL)首次饱和出光，并实现稳定运行。9月20日，经过专家组现场测试和中国兵器工业第205研究所第三方检测，CTFEL装置太赫兹频率在1.99THz、2.41THz和2.92THz三个频率点稳定运行，平均功率均大于10W，最高达到17.9W 微脉冲峰值功率均大于0.5MW，最高达到0.84MW。通过调节电子束能量和磁场强度，可以实现输出激光频率连续可调。/pp　　太赫兹(THz)辐射通常指频率在0.1THz—10THz区间的电磁辐射，波段位于微波和红外光之间，是人类尚未完全认识并很好加以利用的最后一个波(光)谱区间。物质的太赫兹光谱(包括发射、反射和透射)包含有丰富的物理和化学信息，研究有关物质在这一波段的光谱响应，探索其结构性质及其所揭示的新的物理内容已成为一个新的研究方向。自由电子激光(FEL)由于具有频率连续可调、功率大、线宽窄、方向性好、偏振强等优点，使得在同一台装置上实现太赫兹波段全覆盖的大功率理想太赫兹源成为了可能，故自由电子激光是目前该波段最有前途的高功率可调谐相干光源。/pp　　CTFEL装置是依托科技部支持的国家重大科学仪器设备开发专项“相干强太赫兹源科学仪器设备开发”项目，于2011年立项启动。作为一种新型相干强太赫兹光源，CTFEL装置在材料、生物医学等领域有着重要应用前景。/p

中科院海洋研究所张鑫博士作为第一完成人与美国MBARI (Monterey Bay Aquarium Research Institute) 研究所合作，成功研制出基于深海ROV (Remotely Operated Vehicle) 缆控机器人的深海甲烷原位探测系统。相关研究成果已于近期发表在Geophysical Research Letters 杂志，并在第一时间被《自然》和《科学》杂志同时进行了报道和评述。　　利用该项技术，科研人员在世界上首次获得了深海沉积物中甲烷的原位真实浓度，是传统采样测试结果的10-20倍，从而证明甲烷不仅存在于天然气水合物中，而且更广泛地大量赋存于深海沉积物中。在ROV的视频监控下，系统将钛合金探针插入深海沉积物中，抽取沉积物孔隙水，并使用深海激光拉曼光谱仪原位获得孔隙水中的甲烷浓度。同时，该技术还可以原位获取深海沉积物中溶解的硫化氢气体、pH值和硫酸根等多种海洋化学参数。　　著名天然气水合物专家Ross Chapman教授认为，该项技术是“昂贵却实用的”。相关研究成果已在2009年AGU秋季会议和2010 Ocean Sciences会议上作了会议报告，还将于今年6月在西班牙召开的OCEANS 2011会议和今年7月在英国召开的第七届国际天然气水合物大会上作邀请报告，已经成为近期国际海洋界的研究热点之一。　　深海沉积物中蕴藏着丰富的甲烷气体，其与水分子结合可以形成天然气水合物，在全球甲烷循环和气候变化中具有重要作用，并且是一种潜在的清洁能源，但一直缺乏有效的探测手段。　　作为一种先进的海洋化学探测技术，该研究成果对于海洋地质和海洋化学研究中关注的沉积物海洋地球化学、天然气水合物原位探测和深海热液、冷泉生态系统研究具有很好的应用前景。　　从海底取样(图片来源：MBARI)　　张鑫在科研船上进行研究(图片来源：Nancy Barr/MBARI)使用深海激光拉曼光谱仪原位获得孔隙水中的甲烷浓度(图片来源：张鑫/中科院海洋研究所)

三宝兴业(微视凌志)成为瑞士Rainbow Photonics品牌太赫兹系列产品中国区代理　　2012年2月27日，北京三宝兴业(微视凌志)视觉技术有限公司与瑞士Rainbow Photonics公司签署了代理合作协议，正式成为其太赫兹系列产品的中国区代理。　　太赫兹作为一个电子学向光子学过渡频段，其频段覆盖大分子的转动和振动频率，是有待全面研究的一个频率窗口，成为近年全球的科研热点。　　频率：0.1THz –10 THz( 0.03 mm – 3 mm)　　瑞士Rainbow Photonics成立于1997年，是世界一流的太赫兹成像与光谱产品生产商，其销售产品为瑞士联邦工学院非线性光学实验室的科研成果。三宝兴业(微视凌志)，作为国内资深图像处理企业，自2003年成立以来，主营业务是以代理销售国际知名厂商的图像处理产品为主，成立近10年来，不断扩展其代理产品线，此次代理瑞士Rainbow Photonics品牌，将为广大中国科研用户在太赫兹研究领域带来福音，并提供更加本土化的技术支持。　　若您对Rainbow Photonics太赫兹产品感兴趣，可致电北京三宝兴业(微视凌志)010-51262828-6603或wuxl@mvlz.com咨询。　　公司简介：　　　　瑞士Rainbow Photonics产品线涵盖实验室级太赫兹时域光谱系统(TeraKit-Transmission- TeraKit-Reflection)、最新太赫兹成像与光谱系统(TeraImage)、太赫兹一体化系统(TeraSys 4000)、基于高效有机电光晶体(OH1，DAST，DSTMS)的太赫兹产生器与探测器、高质量KNbO3 晶体、全固态近红外飞秒激光器等。广泛应用于实验室中进行的生物医学成像、安全检查、无损探伤、爆炸物探测等研究领域，客户遍布美、英、法、德、日等国家。TeraSys 4000TeraIMAGE　　　　北京三宝兴业(微视凌志)科学部自2007年成立以来，一直致力于国际顶尖科研级产品的推广工作，宗旨是为中国广大的科研工作者提供优质服务,专业的硕博技术人员随时为您解答疑问产品及应用中的问题，可保障您的工作进展更顺畅。目前，代理品牌及产品主要有Princeton Instruments(科研级制冷CCD,光栅光谱仪)、e2v(科研级芯片)、Light conversion(飞秒激光器)、Advanced Research Systems(低温制冷设备)、B&W TEK(便携式光谱仪)、Ludl Electronic Products (显微纳米位移台)、Femto(电流、电压放大器、锁相放大器)、Quantum(时序脉冲发生器)、Scientech(激光功率计、能量计)、Delta(滤光片)、Frankfurt Lasers(固体激光器、激光二极管)，Rainbow Photonics (太赫兹产品)等。

p　　4月6日上午，由国家自然科学基金委组织、中国科学技术大学教授陆亚林承担的国家重大科研仪器研制项目“太赫兹近场高通量材料物性测试系统”项目启动会在中国科大召开。启动会后，联席召开了管理工作组和监理组会议。/pp　　管理工作组专家组组长由清华大学教授、中科院院士南策文担任。/pp　　国家自然科学基金委工程与材料学部副主任车成卫宣布项目正式启动，并指出了设立国家重大科研仪器研制项目的重要意义。同时，他就国家重大科研仪器研制项目的定位、要求、设想、管理体制、项目管理部门、项目组织部门和项目依托单位职责等进行了说明。/pp　　中国科大副校长朱长飞代表依托单位致辞，表示中国科大将大力支持该项目实施。/pp　　在中科院院士南策文的主持下，管理工作组和监理组听取了项目负责人陆亚林所作的有关项目总体工作安排以及2017年度计划的项目启动工作详细报告。随后，三位分总体负责人也就各自负责的分总体工作安排作了报告。/pp　　报告完成后，与会专家和负责人与项目组成员就项目工作安排、项目组织实施、可能面临的关键问题及技术难点等进行了热烈交流和讨论，对项目实施提出了建设性意见和建议。大家强调，项目实施过程中应重点关注系统集成的难度，充分运用多种方式研究各分系统间的相互干扰问题，做好风险防控 项目设计和研制过程中要注重仪器研制与重大科学问题的关联，充分考虑仪器的稳定性、可靠性和实用性 项目依托单位应进一步加强对项目组在人力、物力、基础条件等方面的支持。/pp　　最后，管理工作组和监理组经过讨论和现场考察后认为，项目立项目标明确，总体设计方案合理，五年研制计划可行 2017年度工作计划具体，组织实施管理办法可靠 项目承担单位具有很好的学科支撑条件和先进的公共科研设施，为该项目的实施提供了良好的工作平台。管理工作组和监理组认为，该项目具备了启动研制工作的充分条件，一致同意尽快启动该仪器的研制工作。/pp　　“太赫兹近场高通量材料物性测试系统”于2016年11月获批实施，期限自2017年1月起，至2021年12月。项目目标为研制一套全新的太赫兹近场高通量材料物性测试系统，系统将通过集成可调谐预聚束太赫兹自由电子激光与宽谱脉冲光源、探针和样品双扫描模式等核心技术，实现在可控温度、矢量磁场、电场等条件下对功能材料在宽太赫兹谱段范围的复光学常数的高空间时间分辨、高灵敏测量，并通过复光学常数与功能材料的特征物性之间的共性关联，揭示与之直接关联的功能材料特征物性，可以实施材料物性精密测量和快速材料筛选，仪器研制成功后有望在材料基因组工程、功能材料等方面的研究上获得重要应用，对进一步发现新材料将起到十分重要的作用。/ppbr//p

近日，南开大学物理科学学院超快电子显微镜实验室付学文教授团队成功研制并报道了国际首套超快扫描电子显微镜（SUEM）与超快阴极荧光（TRCL）多模态载流子动力学探测系统。该系统在飞秒超快电子模式下实现了空间分辨率优于10 nm，SUEM成像和TRCL探测的时间分辨率分别优于500 fs和4.5 ps，各项技术性能和参数指标达到国际领先水平。该团队利用该多模态载流子动力学探测系统在飞秒与纳米时空分辨尺度直接追踪了n型掺杂砷化镓（n-GaAs）半导体中的光生载流子的复杂动力学过程，结合SUEM成像和TRCL测量成功区分了其表面载流子和体相载流子的动力学行为，全面直观地给出了其光生载流子动力学的物理图像。该仪器系统的成功研制填补了我国在该技术领域的空白，为研究和解耦半导体中复杂的光生载流子动力学过程提供了一个强有力的高时空分辨测量平台，将为新型半导体材料与高性能光电功能器件的开发提供重要支撑。该研究近日以“A femtosecond electron-based versatile microscopy for visualizing carrier dynamics in semiconductors across spatiotemporal and energetic domains”（一种基于飞秒电子的可用于跨时空和能量维度可视化半导体载流子动力学的多功能显微镜）为题，发表于重要国际学术期刊《Advanced Science》。半导体光电材料与器件的功能和性能主要取决于其材料表/界面的载流子动力学过程，例如光伏与光电探测器件需要增强其界面光生载流子的分离与传输，抑制载流子的复合，而发光器件则要增强其界面载流子的辐射复合，抑制非辐射复合。这些载流子的动力学过程多发生在表/界面处，且动力学过程快至皮秒乃至飞秒量级，因此以超高的时间、空间以及能量分辨率测量半导体材料表/界面载流子不同类型的动力学过程对于现代半导体器件的研发及应用起着至关重要的作用，尤其是对于一些低维、高速、超灵敏的半导体光电器件。当前，研究半导体光生载流子动力学的时间分辨探测技术主要有瞬态吸收显微镜（TAM）及光谱、时间分辨近场扫描光学显微镜（NOSM）、时间分辨阴极荧光（TRPL）、时间分辨光发射电子显微镜（TR-PEEM）等。然而，光学衍射极限限制了这些技术的空间分辨率，并且激光较大的作用深度使得测得的动力学信号主要来自材料内部的平均载流子动力学信息，很大程度上掩盖了来自表面或界面载流子的贡献，且单一的探测手段难以同时给出载流子不同类型的动力学信息。因此，为了全面表征半导体材料的载流子动力学，特别是表/界面载流子的动力学，亟需发展一种在时空间和能量维度上同时具有超高分辨率并且兼具高表面敏感特性的超快探测手段。图1. 仪器系统的示意图和时空分辨性能表征。（a）超快扫描电镜与超快阴极荧光多模态载流子动力学探测系统的示意图。其中包含飞秒光学系统、扫描电镜系统、阴极荧光收集系统、条纹相机以及液氦低温台。图中左上角分别为金刚石微晶的扫描电镜图、阴极荧光强度分布图像、阴极荧光光谱以及n型GaAs在77 K下的条纹相机图像 （b）传统模式下锡球标样的SEM图 （c）和（d）不同放大倍数下锡球标样的飞秒脉冲电子图像，表明飞秒脉冲电子模式下良好的成像质量，其空间分辨率优于10 nm。（e）初始红外飞秒激光脉冲的脉宽；（f）超快扫描电子成像的时间分辨率测试，其仪器相应函数（IRF）大约为500 fs；（g）超快阴极荧光探测的时间分辨率测试，其IRF约为4.5 ps。随着超快电子显微镜技术的蓬勃发展，超快扫描电子显微镜（SUEM）和超快阴极荧光（TRCL）技术也迅速兴起，两者都同时兼具超短脉冲激光的超快时间分辨率和电子显微镜的超高空间分辨率。其中SUEM技术是基于泵浦-探测原理，用一束可见波段飞秒激光激发样品表面产生光生载流子，另一束同步的紫外飞秒激光激发扫描电子显微镜的光阴极产生飞秒脉冲电子进行扫描成像。由于扫描电子显微镜主要收集来自距离样品表面几个纳米范围内的二次电子信号，使得超快扫描电子显微镜技术具有表面敏感特性，能够直接对半导体材料表面或界面光生载流子（电子和空穴）的时空演化动力学进行成像。然而，该技术无法直接区分辐射复合与非辐射复合动力学过程。TRCL技术是用聚焦的飞秒脉冲电子束激发样品产生瞬态荧光，用条纹相机或时间相关单光子计数器对瞬态荧光进行测量，具有能量敏感特性，且信号绝大部分来源于材料体内，可直接反映载流子的辐射复合行为。因此，SUEM和TRCL在功能上形成良好的互补，将两者有机结合有望实现在超高的时空和能量分辨下全面解析半导体材料表/界面和体相载流子的动力学信息。鉴于此，付学文教授团队将飞秒激光、场发射扫描电子显微镜和瞬态荧光探测模块相结合，研制出了国际首套超快扫描电子显微镜与超快阴极荧光多模态载流子动力学探测系统（如图1示意图和图2实物图所示），实现了对半导体材料表/界面和体相载流子动力学过程的高时空分辨探测和解析。图2. 超快扫描电子显微镜与超快阴极荧光多模态载流子动力学探测系统实物照片。图3. 利用该系统对n型GaAs单晶表面的SUEM成像和TRCL测量结果。（a）n型砷化镓表面测量得到的随时间演化的SUEM图像；（b）从图（a）中光激发区域提取的二次电子强度演化及相应的载流子演化时间常数；（c）表面载流子的空间分布随时间的演化；（d）从297 K到77 K的变温时间积分CL光谱；（e）和（g）在图（a）的SUEM测试区域中分别探测得到的297 K和77 K下的条纹相机图像；（f）和（h）分别从（e）和（g）中提取的带边发射的衰减曲线及相应的荧光寿命。为展示SUEM成像与TRCL探测在超高时空和能量分辨率下直接可视化并解耦半导体中复杂激发态载流子动力学过程上的独特优势，该团队利用该自主研发的多模态实验装置研究了n型GaAs中的载流子动力学。如图3所示，SUEM图像表明由于表面能带弯曲效应，飞秒激光作用后表面光生载流子发生快速分离使空穴向表面富集。通过分析随时间变化的SUEM图像，提取出了光生载流子不同阶段的衰减时间常数；同时通过计算表面空穴分布的均方根位移，揭示了对应不同阶段表面空穴随时间的超扩散、局域化和亚扩散过程。通过进一步分析室温和液氦温度下测量的条纹相机图像中相应的非平衡载流子复合动力学过程和寿命，不但区分出了体相和表面载流子动力学过程的差异，还揭示了上述表面载流子的空间演变过程分别对应于能量空间热载流子冷却、缺陷捕获和带间/缺陷辅助辐射复合过程。该工作阐明了表面态和缺陷态对半导体表/界面载流子动力学的重要影响，展示了超快扫描电子显微镜和超快阴极荧光多模态动力学探测系统在超高时空尺度解耦半导体表/界面和体相载流子动力学中的独特优势。南开大学为该项工作的第一完成单位及通讯单位。南开大学物理科学学院博士生张亚卿和博士后陈祥为该论文共同第一作者，南开大学付学文教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、国家科技部、天津市科技局、中央高校基础研究经费等的大力支持。文章链接：https://doi.org/10.1002/advs.202400633

1. 太赫兹技术太赫兹（Terahertz，THz）又称远红外波，被评为“改变未来世界的十大技术”之一，其频率位于0.1 THz至10 THz，如图1所示。从能量辐射角度，太赫兹辐射能量介于电子与光子之间，在无线电领域被称为亚毫米波，在光学领域通常被命名为远红外辐射。太赫兹波段两侧的微波与红外波段技术研究已经非常成熟，且得到了广泛应用。然而，由于太赫兹源的功率强度和太赫兹接收器的探测灵敏度落后于邻近的微波和红外波段，一定程度上限制了太赫兹技术发展，使得该频段很长一段时间被称为“太赫兹间隙”。从本世纪八十年代中期以来，伴随着物理学超快激光技术的发展，太赫兹源越来越强大，探测器也越来越灵敏，太赫兹技术得以迅猛发展。太赫兹时域光谱技术、太赫兹成像技术以及利用非线性效应产生大功率太赫兹是其中为数不多的重大突破，将太赫兹研究推向了中心舞台。太赫兹技术在无极性非金属材料检测方面明显优于传统方法，而且比其他方法有更高的时间分辨率，极大促进了太赫兹技术在无损检测领域应用。图1 THz波频谱分布2. 太赫兹时域光谱系统依据太赫兹波源类型差异，太赫兹检测技术可分为脉冲型和连续型。连续型太赫兹成像系统效率较高，但其频谱宽度较窄且缺乏时间信息。这促使脉冲型太赫兹时域光谱（Terahertz-time domain spectroscopy, THz-TDS）技术成为无损检测与分析领域的“舞台新星”。该技术具有以下独特优点：（1）相干性：由于光电导与光整流产生太赫兹脉冲的独特机制，使得其单色性较好，具有极强时间与空间相干性，太赫兹脉冲的相干长度甚至可以达到ns量级。这一特性使太赫兹相干测量技术得以实现。（2）强穿透性：太赫兹的穿透性与物质的颜色等物理性质无关，仅仅取决于物质的极性，太赫兹无法透过极性物质，而对于纸张、陶瓷以及涂层等非极性材料，太赫兹对绝大部分非极性物质具有极强的穿透性，其透过非极性物质时能量衰减极小。（3）低能性：相较于物质中各种化学键的键能，1 THz单光子能量远低于键能，一般仅仅为4.1 meV，不会引起物质发生电离作用，也就不会导致被测物质损伤，从而保证了该技术的安全性。（4）瞬态性：太赫兹脉冲时间宽度通常仅为皮秒量级，甚至能达到亚皮秒量级，可以用于材料的超快过程研究。（5）特征指纹性：脉冲太赫兹辐射的频谱范围从数百GHz到几THz，而许多生物大分子的振动和转动能级、以及半导体和超导材料的声子振动能级均落在太赫兹频段。分子振动和转动能级在太赫兹频段往往具有独特的吸收峰，这种独特的吸收特性使得每种物质拥有独一无二的指纹吸收谱。因此，特征指纹性使得太赫兹技术在光谱分析和物质识别等方面具有得天独厚的优势和广阔的应用前景。太赫兹时域光谱系统检测原理，如图2所示。图2 太赫兹时域光谱系统原理飞秒脉冲激光器产生飞秒脉冲激光，脉冲激光在光纤中传输会产生色散、偏振以及非线性效应等，这些现象均会对脉冲品质产生不利影响。在光纤中传输后的飞秒脉冲激光首先需要进行色散补偿，再由偏振分束镜将飞秒激光分为探测光和泵浦光两束，探测光将会直接照射在用于探测的光电导天线上，另一束泵浦光先汇聚在太赫兹发射器上并通过光电导天线两侧的偏置电压产生THz脉冲。最后用准直透镜和非球面聚焦透镜对THz脉冲聚焦后，将THz脉冲准直聚焦照射在待测样品上，携带样品信息的THz信号再次经过分束器的反射后返回太赫兹探测器，光电导天线检测器上的探测光通过测量THz电场的变化来获得微弱的电流信号，该电流信号经过锁相放大等操作后转化为THz时域信号波形，最后计算机通过A/D转换器等效采样收集获得样品的THz检测信号。3. 太赫兹无损检测技术研究进展由于太赫兹技术的安全性、高分辨率和无接触非破环性等优点，在无损检测领域备受关注，该技术在检测领域主要可分为以下两个方面：（1）缺陷成像太赫兹（Terahertz, THz）成像技术在许多领域被视为最前沿技术之一，在无损检测中取得了巨大进步。中国矿业大学范孟豹教授课题组在THz成像取得了相关研究进展。2020年，该团队基于时域有限差分数值模型模拟了热障涂层不同脱粘缺陷情况下的太赫兹信号，基于支持向量机方法实现了缺陷自动辨识。同年，发表了太赫兹成像技术进展综述论文。2021年，团队分析了太赫兹图像乘性噪声产生机理，提出基于同态滤波的THz图像增强模型，消除了太赫兹图像局部伪影，提高了图像的边缘强度。同年，课题组结合蜂窝材料纹理提出了新型滤波算子，称为苯环算子，消除了边缘与高斯-泊松噪声在高频混叠现象，提高成像质量。同时，撰写了THz超分辨率成像系统与信号处理技术综述论文。图3 苯环算子去噪方法（2）参数检测参数测量是表征材料服役与状态关键一环，在无损检测行业中备受关注。White首次使用反射式THz时域光谱系统对热障涂层厚度进行检测，但在其研究中取热障涂层折射率为固定经验值，并不能适用不同制备工艺条件和所有服役工况下的热障涂层；Fukuchi提出定位THz反射信号的三个反射峰，通过朗伯比尔定理获得了热障涂层的折射率，该方法需要THz信号的反射峰，不适应于薄涂层与多层结构的涂层。Krimi等人利用广义的Rouard模型来模拟任意多层薄膜内的太赫兹波与物质的相互作用，然而其使用的遗传优化算法存在收敛速度慢、控制变量较多等问题。近年来，随着人工智能方法快速，发展太赫兹与机器学习相结合参数测量方法应用广泛。中国矿业大学范孟豹教授课题组在参数测量方面取得了相关研究进展。2020年，范孟豹教授团队构建了多层涂层太赫兹信号解析模型，提出了基于全局优化算法减小实验与仿真信号间残差，反演出涂层厚度与折射率参数。2021年，课题组提出了差分进化自适应教与学优化算法，平衡全局与局部寻优能力，准确求解出热障涂层材料参数。同年，课题组针对Fuhucki方法需要手动定位反射的问题，提出了将长短时记忆神经网络与太赫兹技术相结合，完成了时域信号中多反射峰自动定位，实现热障涂层厚度与折射率在线测量。2022年，团队从THz参数测量机理出发，分析出折射率测量需要频域信息，据此开展了小波时频研究，并基于卷积神经网络建立了时频图与厚度、折射率间数学映射。同年，团队提出了全新的THz参数测量视角，深入探究了THz波与热障涂层间作用机理，发现了THz信号前两反射峰携带了测厚关键信息，阐述了实验与仿真信号在峰值处吻合度高的原因。据此，提出了基于模型驱动的THzResNet网络新结构，形成了可解释网络框架，最终实验结果表明THzResNet能够准确预测出热障涂层厚度，测量误差小于1%。图4 多反射峰自动定位方法图5 THzResNet新结构4. 总结随着材料科学技术进步，非金属材料应用逐渐广泛，使得具有非接触、非电离、波长短等优点太赫兹技术必将成为无损检测行业新星，解决缺陷成像与光学参数测量的行业痛点问题。作者简介范孟豹，博士，教授，博士研究生导师，机器人工程系主任，专业负责人，入选江苏省六大人才高峰资助计划。2009年6月毕业于浙江大学控制科学与工程专业，获工学博士学位，2015年1月至2016年1月在英国Newcastle University大学做访问学者。主要研究方向为智能机器人感知理论及应用研究。作为项目负责人，主持国家自然基金项目3项、JKW基础加强项目子课题、“863”计划子课题、江苏省自然科学基金面上项目、高等学校博士学科点专项科研基金新教师项目、国家博士后科学基金特别资助项目、国家博士后科学基金面上项目等项目，承担各类项目近30项。在国内外期刊及学术会议上发表SCI收录论文50余篇、EI收录10余篇。申请国家发明专利40余项，授权发明专利25项，出版专著1部。获国家安全生产监督管理总局科技进步一等奖、浙江省科技进步三等奖、中国腐蚀与防护学会一等奖等省部级奖励3项。担任科技部重点研发项目评审专家、教育部和浙江省科技奖励评审专家、国家自然科学基金项目函评专家、重庆与江西省基金项目评审专家，担任IEEE Transactions on Industrial Informatics、IEEE Transactions on Industrial Electronics、Mechanical Systems and Signal Processing、IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement、NDT&E International、Measurement、IEEE Sensors Journal、机械工程学报、中国机械工程等30多个期刊审稿人。欢迎对太赫兹检测技术有兴趣的同行通过邮件联系：wuzhi3495@cumt.edu.cn。近三年课题组与太赫兹检测技术相关的学术论文：(1) 参数测量[1] Binghua Cao, Mengyun Wang, Xiaohan Li, Mengbao Fan, et al. Accurate thickness measurement of multilayer coatings on metallic substrate using pulsed terahertz technology. IEEE Sensors Journal, 2020, 20(6): 3162-3171.[2] Fengshan Sun, Mengbao Fan, Binghua Cao, et al. Terahertz based thickness measurement of thermal barrier coatings using long short-term memory networks and local extrema[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2022, 18(4): 2508-2517.[3] Fengshan Sun, Mengbao Fan, Binghua Cao, et al. THzResNet: A physics-inspired two-stream residual network for thermal barrier coating thickness measurement [J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2022, Early Access.[4] 孙凤山, 范孟豹, 曹丙花, 等. 基于时频关键信息融合的热障涂层太赫兹准确测厚方法. 机械工程学报, 2022. (录用).[5] 曹丙花, 郑德栋, 范孟豹, 孙凤山, 等. 基于太赫兹时域光谱技术的多层涂层高效可靠测厚方法[J]. 光学学报, 2022, 42(01): 127-137.(2) 缺陷成像[1] Binghua Cao, Enze Cai, Mengbao Fan. NDE of Discontinuities in thermal barrier coatings with terahertz time-domain spectroscopy and machine learning classifiers[J]. Materials Evaluation, 2021, 79(2) :125-135.[2] 曹丙花, 李素珍, 蔡恩泽, 范孟豹, 淦方鑫.太赫兹成像技术的进展[J]. 光谱学与光谱分析, 2020, 40(09): 2686-2695.[3] 曹丙花, 张宇盟, 范孟豹, 孙凤山, 等. 太赫兹超分辨率成像研究进展[J]. 中国光学, 2022, 15(03): 405-417.[4] 孙凤山, 范孟豹, 曹丙花, 等. 基于几何纹理与Anscombe变换的蜂窝材料太赫兹图像降噪模型[J]. 机械工程学报, 2021, 57(22): 96-105.[5] 孙凤山, 范孟豹, 曹丙花, 等. 基于混沌映射与差分进化自适应教与学优化算法的太赫兹图像增强模型[J]. 仪器仪表学报, 2021, 42(04): 92-101.

太赫兹(Terahertz)波在电磁波谱中占有一个很特殊的位置，并具有一系列特殊性质和重要的学术应用价值。在2005年12月举行的以“太赫兹科学技术的新发展”为主题的第270次香山科学会议上，与会专家就发展我国太赫兹科学技术进行了交流和研讨。　　“空白”渐成热点　　太赫兹波是指频率在0.1～10THz(波长为3000～30微米)范围内的电磁波。它在长波段与毫米波、亚毫米波相重合，而在短波段与红外线相重合，在电磁波谱中占有一个很特殊的位置。太赫兹这一位置正好处于科学技术发展相对较好的微波毫米波与红外线光学之间，但由于太赫兹波源问题一直未能得到很好的解决，因此形成了一个在研究上相对落后的“空白”。太赫兹在长波方向主要依靠电子学技术，而在短波方向则主要依靠光子学技术，在电子学与光子学之间的这一“空白”蕴含着深刻的物理含义。　　经过近十几年的研究，国际科技界认为，由于太赫兹的频率很高，所以其空间分辨率也很高 又由于脉冲很短(飞秒)，具有了很高的时间分辨率，太赫兹成像技术及太赫兹波谱技术由此构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。同时，太赫兹的能量很小，不会对物质产生破坏作用，所以与X射线相比更具优势。　　国际上对太赫兹辐射已经达成了如下共识，即太赫兹是一种新的、有很多独特优点的辐射源 太赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿领域，给技术创新、国民经济发展和国家安全提供了一个非常诱人的机遇。　　目前，包括长青藤大学在内的数十所美国大学都在从事太赫兹研究，美国国家基金会、国家航天局等都对太赫兹研究给予了大规模的投入 英国、德国、俄罗斯的多所大学也都设立了专门进行太赫兹研究的项目。在亚洲，韩国、新加坡等也都积极开展了这方面的研究工作。目前已经在全世界范围内形成了一个太赫兹技术的研究高潮。　　诱人的机遇　　会议执行主席、电子科技大学刘盛纲院士介绍说，太赫兹的独特性质使它具有非常重要的多方面应用。　　在科学研究方面，太赫兹成像和太赫兹波谱学在物理学、化学、生物医学、天文学、材料学和环境科学方面有着极其重要的应用。太赫兹波除了可以成像外，还可作为一种特殊的探针用来对物质内部进行深入研究，利用太赫兹辐射还可以探测出高温、高密度等离子体中密度的分布空间。　　太赫兹在生物医学应用上被一致看好，如皮肤癌的诊断和治疗、药物的分析和检测、大分子生物学研究的发展等。由于生物大分子的振动和转动频率均在太赫兹波段，因此太赫兹在粮食选种、优良菌种的选择等农业和食品加工行业有着良好的应用前景。　　太赫兹辐射可以穿透烟雾这一特点，还可用于检测有毒、有害分子，在环境监测和保护方面有着重要的作用。利用太赫兹的穿透特性，美国已经开始用太赫兹技术检查邮件和识别毒品，并用于对航天飞机的无损探伤。　　太赫兹在雷达和通信方面，特别是在太空通信方面的巨大优势是没有疑问的。太赫兹卫星太空成像和通信技术将成为一个重要的研究领域。而且太赫兹技术是新一代IT产业的基础。在日本，以太赫兹技术为基础的新一代IT产业已开始逐步形成。　　突破关键技术“瓶颈”　　刘盛纲说，在太赫兹技术及应用中，辐射源和检测技术是两个主要问题。大功率太赫兹辐射源研究是太赫兹技术发展的重要环节，在研究中既要重视半导体太赫兹源和基于光子学的太赫兹源，又要重视真空电子学在太赫兹领域可能有的重要贡献。太赫兹探测技术是研究的另外一个重要环节，既要重视发展温室的太赫兹检测技术，也要重视灵敏度高的、低温检测系统。此外，太赫兹功能部件如传输线等的研究也很重要。　　与会专家建议，加强太赫兹在国防及国家安全方面的应用研究，如太赫兹穿透物质成像技术可用于太赫兹雷达、精确制导等 尽快建立实用的、可调谐的、高功率的太赫兹研究平台，这将有助于推动我国太赫兹技术的研究与应用。通过国家投入、鼓励企业参与、加强国内外交流等，力争用两个五年计划的时间，即到2015年，使我国在太赫兹源、太赫兹检测、成像及波谱技术等关键领域都有所突破，在理论和实验研究方面与国际同行站在同一个起跑线上，并取得一批拥有自主知识产权的实用技术和产品。

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