赫兹超快探测器

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。

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

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

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)

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

据物理学家组织网6月4日报道，美国马里兰大学纳米物理和先进材料中心的研究人员开发出一种新型热电子辐射热测量计，这种红外光敏探测器能广泛应用于生化武器的远距离探测、机场安检扫描仪等安全成像技术领域，并促进对于宇宙结构的研究等。相关研究报告发表在6月3日出版的《自然纳米技术》杂志上。　　科学家利用双层石墨烯研发了这款辐射热测量计。石墨烯具有完全零能耗的带隙，因此其能吸收任何能量形式的光子，特别是能量极低的光子，如太赫兹或红外及亚毫米波等。所谓光子带隙是指某一频率范围的波不能在此周期性结构中传播，即这种结构本身存在“禁带”。光子带隙结构能使某些波段的电磁波完全不能在其中传播，于是在频谱上形成带隙。　　而石墨烯的另一特性也使其十分适合作为光子吸收器：吸收能量的电子仍能保持自身的高效，不会因为材料原子的振动而损失能量。同时，这一特性还使得石墨烯具有极低的电阻。研究人员正是基于石墨烯的这两种特性设计出了热电子辐射热测量计，它能通过测量电阻的变化而工作，这种变化是由电子吸光之后自身变热所致。　　通常来说，石墨烯的电阻几乎不受温度的影响，并不适用于辐射热测量计。因此研究人员采用了一种特别的技巧：当双层石墨烯暴露于电场时，其具有一个大小适中的带隙，既可将电阻和温度联系起来，又可保持其吸收低能量红外光子的能力。　　研究人员发现，在5开氏度的情况下，新型辐射热测量计可达到与现有辐射热测量计同等的灵敏度，但速度可增快1000多倍。他们推测其可在更低的温度下，超越目前所有的探测技术。　　新装置作为快速、敏感、低噪声的亚毫米波探测器尤具前景。亚毫米波的光子由相对凉爽的星际分子所发出，因此很难被探测到。通过观察这些星际分子云，天文学家能够研究恒星和星系形成的早期阶段。而敏感的亚毫米波探测器能帮助构建新的天文台，确定十分遥远的年轻星系的红移和质量，从而推进有关暗能量和宇宙结构发展的研究。　　虽然一些挑战仍然存在，比如双层石墨烯只能吸收很少部分的入射光，这使得新型辐射热测量计要比使用其他材料的类似设备具备更高的电阻，因而很难在高频下正常工作，但研究人员称，他们正在努力改进自身的设计以克服上述困难，其亦对石墨烯作为光电探测材料的光明前景抱有极大信心。

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。

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。

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

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室与国科大杭州高等研究院和中国科学院空天信息研究院合作，在二维WSe2-Si的混合维度异质结中瞬态电流太赫兹发射动力学以及谷自由度探测方面取得研究进展。相关研究成果以 “Ultrafast Drift Current Terahertz Emission Amplification in the Monolayer WSe2/Si Heterostructure”为题发表于The Journal of Physical Chemistry Letters上。基于单层过渡金属硫族化合物（TMDs）的范德瓦尔斯异质结作为同时具有强的自旋动量锁定效应与能带可调等丰富的光电性质的二维半导体,在片上集成光源、新型光电探测和谷电子学技术中具有重要的应用潜力。图1 (a)太赫兹发射光谱系统示意图；(b) 太赫兹脉冲时域波形；(c) 异质结中耗尽电流辐射太赫兹示意图。本工作首次利用非接触的超快太赫兹发射光谱技术探测了TMDs-Si异质结中耗尽场放大的瞬态光电流，并利用其探测了其中单层二维材料放大的谷自由度并实现了全光操控。本工作为基于二维-三维混合维度异质结的谷电子学探索提供了新思路。在这项工作中，研究人员使用时间分辨太赫兹发射光谱系统，研究了单层WSe2-Si异质结经飞秒激光泵浦后的超快太赫兹发射动力学过程。通过对太赫兹发射机理的分析，发现并验证了WSe2-Si异质结中增强的耗尽电场加速载流子迁移，从而导致更大的瞬态电流与对应10倍增强的太赫兹辐射的作用过程。图2 (a) 光学选择定则示意图；(b) 单层WSe2与异质结中的泵浦光手性依赖现象。同时，利用时间分辨太赫兹发射光谱系统可在无需特殊环境（低温、磁场、应力）的室温条件下探测到单层WSe2与WSe2-Si异质结中泵浦光手性依赖的谷光电流，证实了二维-三维异质结中自旋动量锁定效应的存在，同时也发现单层WSe2材料的谷-动量锁定的光电流手性在异质结中得到了保留。由此利用谷光电流偏振依赖特性，也可以实现对半导体材料发射太赫兹的有效调控。硅基二维-三维材料异质结中实现太赫兹辐射放大的方法拓展了基于超快光学方法的太赫兹辐射源提升效率方式，对于新型片上可集成的太赫兹芯片研究具有重要的意义。此外，超快太赫兹发射光谱在室温条件下对于TMDs材料中谷光电流的无接触探测拓宽了探测自旋动量锁定效应的方法路径，为基于此类异质结的谷电子学的研究提供了新的思路。

10月3日，2023年诺贝尔物理学奖授予皮埃尔阿戈斯蒂尼、费伦茨克劳斯和安妮吕利耶三位科学家，以表彰他们在阿秒光脉冲方面作出的贡献。1阿秒到底有多短呢？举一个例子，我们都知道光速是最快的速度，然而一束光从房间的一端发射到对面的墙壁，时间却“达到”了惊人的100亿阿秒。1阿秒等于10的负18次方秒，是人类目前所掌握的最快的时间尺度。它就像一把尺子，尺子刻度越细，测量的精度就越精细。更重要的是，这为超快光谱探测技术提供了新的时间分辨率——依靠更快的速度，人类可以观测定格到更加清晰细小的微观世界。什么是超快光谱探测技术？超快光谱探测技术是怎么定格到微小世界的？未来又有哪些应用前景？今天，让我们共同关注。超快光谱探测技术应用原理示意图从“骏马在奔驰中是否四脚离地”说起关于人类第一次利用光学成像技术解决问题，要从“骏马在奔驰中是否四脚离地”说起。人们喜欢看骏马疾驰时的样子，然而，由于骏马奔跑时的速度实在太快，人类用肉眼很难捕捉到清晰的画面。关于马在奔跑过程中，是否会有四条腿同时离开地面的争论也一直都存在。直至1878年6月11日，英国摄影师艾德沃德迈布里奇开创了一种全新的拍摄方式。他在骏马的奔跑轨迹上连续设置了12组相连的相机装置，同时将地雷触发线连到相机快门上。当马蹄触及地面上的触发线时，相机快门就会被连续触发，从而获得一系列连续的照片。这种方法将马蹄的运动在多张照片中分解展现出来。最后，照片呈现的结果显示，马在奔跑时确实会四脚离地。这个创举改变了人类观察世界的方式，也引领了科学界对时间分辨能力的追问：如果未来拍摄比马移动更快的物体要怎么办？人类一直在追求捕捉物体运动更快的画面。后来，随着对自然界瞬态过程的不断探索，人类陆续达到毫秒量级、微秒量级、纳秒量级、皮秒量级和飞秒量级的时间分辨率。1999年，诺贝尔化学奖颁发给了致力于时间分辨率上的超快光谱探测技术的科学家。超快光谱探测技术将人类自然科学的研究带入了一个更快的世界。时至今日，超快光谱探测技术已经成为研究物质微观粒子动力学最重要的技术。所谓超快光谱探测技术，是指利用脉冲激光器对样品进行激光刺激，并用激光对刺激后的样品进行探测，以研究样品在极短时间内的光物理、光化学和光生物反应的一种方法。通俗地来比喻，超快光谱探测技术类似超快摄像机一样，让人们能够通过一帧一帧的“慢动作”观察处于化学反应过程中原子与分子的转变状态。目前，超快光谱探测技术主要依赖于飞秒激光，其优点在于能够瞬间获得样品状态，具有快速、高灵敏度、高分辨率的特点。通常情况下，激光的波长为可见光范围内的波长，使用时需要特别注意光能量对样品的影响。现如今，正在积极发展的新一代基于泵浦-探测技术的超快光谱探测技术，具备前所未有的时间分辨率，可以将超快成像的观测范围压缩到飞秒甚至阿秒的尺度。这意味着能在短短一秒钟内拍摄远超亿计的照片。在这极短的时间尺度下，即使光的速度也几乎“凝固”不动，仅能传播不到百万分之一米的距离。在这个基础上，一些瞬时的现象，往常难以被常规技术手段观测到的奥秘，如化学键的形成、量子隧穿、强关联物理等，将在这些高时间分辨率的成像中得以清晰呈现。超快光谱探测技术的出现，将极大地拓展我们对事物运行机制的认知。通过这种技术，我们有望揭示出许多过去被掩盖的现象和过程，这可能会催生出更多新的科学发现，甚至可能开创出全新的领域，为人类社会带来更多的创新和进步。揭示微观世界的奥秘一只小小的蜂鸟每秒可以拍打翅膀80次，然而对于人类来说，只能感觉到嗡嗡的声音和模糊的翅膀动作……对于人类的感官来说，快速的运动会变得模糊。任何测量都必须比目标系统发生明显变化的时间更快，才能得到测量的结果。借助超快光谱探测技术成像，我们得以捕捉到那些转瞬即逝的现象的具体形貌。在拍摄电影和广告中，很多特殊镜头的拍摄都会用到超快光谱高速摄影机，它能用特殊的视角展现出极为丰富的镜头效果，给大家带来更为丰富的视觉冲击。在拍摄荷叶时，我们可以捕捉到荷叶表面的细微纹理，进而分析荷叶超疏水现象背后的奥秘。可以说，超快光谱探测技术涉及人类生活的方方面面，已经被广泛应用于航天、工业和生物医学等诸多领域。在航天领域，超快光谱高速相机可以精确地捕捉航天器点火升空瞬间的所有细节，有助于查找和分析航天器设计中的潜在问题和疏漏。在工业领域，采用超快光谱高速相机观察产品受到冲击时内部的状态，可用来分析产品被破坏时物质的结构。在军事领域中，采用超快光谱高速相机来捕获炸药爆炸、子弹出膛、火箭发射等过程，以及应用于弹道分析、撞击分析、武器机械运动分析等。与此同时，随着物质微观体系的不断发展，人们对微观物质特征和物质本质认识的要求也越来越高。在人类探索和控制物质相关变化的瞬态过程中，超快光谱探测技术为人们探索发现新现象、新物质和阐述相关物理机制提供了重要参考。例如，在分子生物学研究中，可以利用超快光谱探测技术研究DNA、RNA等生物大分子在光激发后的反应过程和动力学过程，用来揭示这些生物大分子的结构和生理机能，对生物医学领域的基因工程等研究具有重要意义。而最新的研究表明，超快光谱探测技术正被看作是量子力学诞生以来，能够在相应时间尺度内探索微观量子性质的“武器”，在研究超导材料的机理及实验依据、非平衡物理及新奇量子态的诱导、量子态的外场调控等方面同样具有重要作用，被科学家们称为与“量子”的经典组合。此外，也有不少新材料在超快光谱探测技术的促进下产生。例如，在钙钛矿太阳能电池等光伏器件中，利用光伏效应收集光能并将其转化为可供日常生活使用的电能。借助超快光谱探测技术记录的光电特性演化过程，可为太阳能电池及光伏器件的设计制备提供指导，大幅改善光电转换效率、提高材料使用寿命。近年来，据《自然》杂志等期刊报道，钙钛矿太阳能电池的效率已超过26%，有望成为继多晶硅之后的新一代太阳能电池核心能源材料。半导体磁性材料、超导体、绝缘体、复杂材料、太阳能电池……人类的好奇心永无止境，相信随着超快光谱探测技术的时间分辨率越来越高，未来将会有越来越多关于微观世界的奥秘被一一发现。向着更快更清晰的未来前进对于超快光谱探测技术当前的研究进展，科研人员表示，该技术会更加注重快速、高效和精准：一方面，时间更快，即在超快的基础上提出更小的时间尺度，以便了解更多分子、原子里的电子的动力学过程；另一方面，空间分辨率更高，以便可以看到事物更小、更加清楚的动态过程。除此之外，也有国内外的科研人员在尝试把超快光谱拓展到不同的波长。例如从X光到太赫兹波甚至微波，以持续推动超快光谱前沿技术的应用拓展。而随着人工智能技术的不断完善，未来人工智能或将与超快光谱探测技术相结合。通过机器学习等方法，科研人员可以更加准确地分析和理解超快光谱数据，从而更好地探索材料和分子之间的微小变化，进一步挖掘出有价值的信息。“虽然超快光谱探测技术当前在科学研究中得到大家的青睐，但未来在其成为一种通用技术的道路上还有许多局限性。”也有不少科研人员指出了超快光谱探测技术现今存在的制约因素，如：采集数据的时间较长，需要专业人员分析数据，激光探测设备成本较高，等等。当前，皮秒甚至飞秒激光探测器费用可高达百万元以上，加上搭建激光探测器、光路和探测仪器等费用，一套仪器设备的投入耗资巨大，这些问题在一定程度上限制了当前超快光谱探测技术更大规模地应用于市场。综上所述，即使有发展局限，但不可否认，超快光谱探测技术已经成为分析化学、生物医学、材料科学等领域中的重要研究手段之一。随着对超快光谱探测技术认识的深入，其应用领域将会进一步扩大和深化。从拍摄骏马奔跑时四腿离地、定格昆虫扇动翅膀的瞬间，到看清子弹出膛的慢动作，再到观测电路中的电流变化，随着超快光谱探测技术的发展，人类定格世界的快门越来越快，看到了越来越清楚的微观世界。我们期待，借助该技术，人类未来能看到并揭示大千世界中更多令人心生好奇、心生向往的美妙瞬间！

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。

近日，Science Advances发表了题为“Broadband and photovoltaic THz/IR response in the GaAs-based ratchet photodetector”的研究工作（Sci. Adv. 8, eabn2031 (2022)）。该论文提出了一种基于GaAs/AlxGa1-xAs异质结的量子棘轮结构。这种结构综合利用了电泵浦实现的热载流子注入效应、自由载流子吸收和从轻、重空穴带到自旋轨道分裂带的光跃迁等多种吸收机制，突破了界面势垒的限制，实现了从近红外到太赫兹波段（4-300太赫兹）的超宽谱光响应。A. 量子棘轮探测器结构. B. 探测器能带结构. C. 器件PL光谱. D.探测器微观机制示意图. 近年来，红外(IR)/太赫兹(THz)光电探测器已经引起了极大的关注。然而，设计高性能的宽带红外/太赫兹探测器一直是个巨大的挑战。在宽谱探测器领域，一直是热探测器占据主要地位，但热探测器难以实现高速探测。光子型探测器具有可调节的响应范围、良好的信噪比和非常快的响应速度。量子阱探测器（QWP）响应速度快，灵敏度高，光子响应范围灵活可调，是性能优异的光子型红外/太赫兹光电探测器。但窄带特性使其覆盖波段十分有限。内光发射探测器（IWIP）由于其正入射响应机制、宽谱响应以及可调的截止频率，一直被认为是极具竞争力的宽带红外/太赫兹光电探测器。但其激活能低，导致较大的暗电流，需要在极低的温度(液氦温区)下工作。量子点探测器可以在高温下实现太赫兹探测和正入射响应，但可靠性和可重复性仍然是一个巨大的挑战。光泵浦热空穴效应探测器（OPHED）基于热-冷空穴的能量转移机制进行探测，可以突破带隙光谱的限制，实现超宽谱的红外/太赫兹探测。其探测波长可调，同时能够抑制暗电流和噪声。然而，依赖于外部光学激励的热空穴注入是太赫兹探测的前置条件，这大大增加了OPHED的复杂性。A.暗电流随温度变化 B. 暗电流与常用太赫兹探测器对比 C. 零偏压下微观响应机制 D. 量子棘轮探测器光响应谱. 应用物理与计算数学研究所白鹏与上海交通大学张月蘅、沈文忠研究组提出了一种基于GaAs/AlxGa1-xAs量子棘轮新结构的超宽谱光子型探测器。该探测器能实现正入射响应，响应范围覆盖4-300THz，远超其他光子类型的探测器的覆盖范围。此外，该器件即使在零偏置电压下也能产生明显的光电流。其峰值响应率达7.3 A/W，比OPHED高出五个数量级。由于量子棘轮能带结构的不对称性，器件的响应在正负偏压下也表现出明显的差别。在温度低于 77K时，由于量子棘轮效应，探测器表现出明显的整流行为，器件暗电流比现有的光子型探测器低得多，噪声等效功率低至3.5 pW·Hz−1/2，探测率高达2.9 × 1010 Jones，展示出其在高温下工作的潜能。 该项研究中展示了一种新型超宽带太赫兹/红外光电探测器。在无任何光耦合结构设计的情况下，这种成像器件具备很宽的光谱探测范围（4-300THz），快响应速度，低噪声等效功率和高探测率，为发展高温高速的超宽谱光电探测器件奠定了基础。 该工作近日发表于Science Advances （Sci. Adv. 8, eabn2031 (2022)）上。共同第一作者北京应用物理与计算数学研究所助理研究员白鹏和张月蘅课题组博士研究生李晓虹，共同通讯作者为应用物理与计算数学研究所楚卫东研究员、上海交通大学张月蘅教授和清华大学赵自然教授。研究工作得到了国家自然科学基金、上海市科技自然科学基金、博士后基金和上海交通大学“人工结构及量子调控”教育部重点实验室开放课题的经费支持。上海交通大学张月蘅课题组承担并参与了器件设计、器件性能测试表征及论文写作方面的工作。

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.

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

太赫兹波是指频率在0.1～10THz之间的电磁波，在电磁波谱上位于微波和红外线之间。是电磁波谱中唯一没有获得较全面研究并很好加以利用的最后一个波谱区间，是人类目前尚未完全开发的电磁波谱“空白”区。由于太赫兹波所处的特殊电磁波谱的位置，它有很多优越的特性，在材料分子的特殊光谱信息分析、材料与结构的无损探伤及三维层析、违禁物品反恐检查、生物组织的活体检查、高精度保密雷达、卫星间宽带通信等方面的研究，在天体物理学、等离子体物理学、光谱学、材料学、生物学、医学成像、环境科学、信息科学等领域有着广阔的应用前景。　　太赫兹波有非常重要的学术和应用价值(有的已处于实用)，使得全世界各国都给予极大的关注，美国、欧州和日本尤为重视。我国近年来对于太赫兹技术的研究也日益关注。在近日陆续公布的“2011年国家重大科学仪器开发专项”与“2011年国家重大科研仪器研制专项”中，其中由中科院紫金山天文台史生才研究员作为负责人主持申报的国家重大科研仪器设备研制专项——“太赫兹超导阵列成像系统”项目成功获批立项，资助总经费6000万元，研究期限5年。此外中国工程物理研究院申报的国家重大科学仪器开发专项——“相干强太赫兹源科学仪器设备开发项目”也成功获批立项。　　仪器信息网编辑整理了目前国内从事太赫兹技术研究的实验室和研究中心，供读者对我国太赫兹技术的研究情况做一基本了解。　　太赫兹光电子学省部共建教育部重点实验室　　首都师范大学物理系太赫兹实验室于2001年正式成立。2006年正式批准为北京市“太赫兹波谱与成像”重点实验室。2007年获批太赫兹光电子学省部共建教育部重点实验室。该实验室是目前国内最好的太赫兹研究基地之一。2009年起始，太赫兹实验室正式获批中关村开放实验室，依托实验室现有条件和中关村地区科技资源的优势和作用，深化产学研之间的合作，正式为中关村2万多家注册企业提供相应的技术服务，联合进行关键技术攻关。　　目前，实验室具有科研用房1500平方米，其中千级超净实验室2间，面积170平方米。科研仪器设备总值超过千万元。在过去的三年中，实验室共承担包括国家973计划、国家863、国家自然科学基金重大项目等各类项目23项，总科研经费1328余万元。　　本实验室主要研究方向：1.太赫兹波谱研究 2.太赫兹成像研究 3.太赫兹与红外无损检测研究 4.太赫兹与物质相互作用。　　山东科技大学太赫兹技术研究中心　　山东科技大学太赫兹技术研究中心成立于2003年，由我国著名太赫兹专家刘盛纲院士担任中心主任，是山东省唯一的太赫兹科学与技术研究机构。　　目前实验室拥有太赫兹源研究室、太赫兹时域光谱技术应用研究室和太赫兹器件开发研究室共三个研究室，实验室面积约500平方米，设备价值约300万元。拥有60m2的千级超净实验室，奥地利产半导体泵浦飞秒激光器，德国产808nm、30W半导体激光器，相干公司激光光束质量分析仪，Gentec公司激光功率计，泰克公司200MHz示波器，光学平台等研究设备，锁相放大器， Golay探测器，精密电移台等专用研究设备。　　主要研究方向包括：基于光子学太赫兹辐射源的研究、太赫兹应用技术研究、太赫兹器件的研究。　　超快光电子与太赫兹技术实验室　　超快光电子与太赫兹技术实验室是一个集合光学，半导体物理学，微电子学，生物学等多学科交叉的实验室。主要涉及微电子制造、半导体工艺、生物医学检测、太阳能光伏、红外传感、超高频电磁波应用等领域。实验室依托于上海理工大学。主要研究人员有庄松林院士、朱亦鸣、许健等。　　实验室目前已有1000级超净室180平方米，美国相干公司飞秒激光器一台，时域太赫兹波谱测试系统一套，AFM原子力显微镜一台， SEM扫描电子显微镜一台，半导体参量测试仪一台，积分球光谱测试系统一套，磁共溅射/离子束溅射镀膜机一台等大型设备。　　实验室主要研究方向：1.应用全新的超快光学方法-时域太赫兹波谱法，进行半导体材料和器件内超快电子的检测 同时设计开发新型的半导体超快电子器件。2.利用太赫兹波对物质进行研究 如通过太赫兹波和生物分子的作用，来鉴别区分不同类型的中草药，毒品等 通过太赫兹波和液晶材料、半导体材料的相互作用，来研究材料本身的一些物理特性。3.超高频电磁通信和传输及其器件的开发。4.微纳结构硅基光伏材料(黑硅)的制备、检测 基于黑硅的光伏电池的优化组装 5.微纳结构金属材料的制备、检测 基于此类微纳结构金属材料的应用 6.表面等离子波导中电磁场微小频率变化的探测7.表面等离子波导中电磁场的古斯汉欣位移增强效应的研究。　　中国计量学院太赫兹技术与应用研究所　　中国计量学院太赫兹技术与应用研究所成立于2006年7月，属于校级研究所，研究所所长：为洪治博士。研究所获得了浙江省“重中之重”学科“仪器科学与技术”的资助。　　现有实验室面积1000余平方米。拥有基于BWO(返波振荡器)的连续THz实验平台 锁模钛宝石激光器及相关测试设备 太赫兹波TDS系统等实验设备。　　主要研究方向1.太赫兹波器件、传输与系统 2.太赫兹波成像、传感技术及应用 3.太赫兹波与生物分子相互作用机理及应用 4.太赫兹波谱材料特性测试及应用。　　中科院太赫兹固态技术重点实验室　　2011年3月28日，中科院太赫兹固态技术重点实验室揭牌仪式举行，该重点实验室的成立，加强了中科院太赫兹研究基地建设。实验室依托于中国科学院上海微系统与信息技术研究所。曹俊诚研究员担任实验室主任，田彤研究员担任实验室副主任，封松林研究员担任实验室学术委员会主任。　　实验室主要围绕半导体固态太赫兹源、探测器及其在通信与成像等领域的应用，开展基于光子学和电子学的固态太赫兹器件物理与工艺、太赫兹器件与模块、太赫兹检测与成像以及太赫兹信息传输与通信等方面的基础和应用研究工作。　　中物院太赫兹科学技术研究中心　　2011年12月12日，中物院太赫兹科学技术研究中心正式成立，中心主任由电子工程研究所所长姚军代理。　　中心主要围绕太赫兹物理理论、半导体太赫兹技术、电真空太赫兹技术以及太赫兹在通信、雷达、光谱学和成像中的应用开展研究。太赫兹研究中心目前成立了4个研究室，包括太赫兹总体和应用技术研究室、太赫兹理论研究室、太赫兹半导体器件研究室和电真空太赫兹技术研究室，依托各相关研究所开展工作，并计划在中物院成都科技创新基地建设太赫兹实验室。　　此外目前国内高校中电子科技大学，天津大学，南京大学，中山大学，国防科大，上海交通大学，西安理工大学，深圳大学，南开大学，清华大学 北京航空航天大学 北京理工大学等都有太赫兹研究计划。　　研究所方面：中国科学院物理所，紫金山天文台，西安光机所，中科院上海应用物理所，半导体所也有研究项目。

3月13日，大恒新纪元科技股份有限公司（简称“大恒科技”）宣布，由公司牵头承担的国家重大科学仪器开发专项“基于飞秒激光的太赫兹时域光谱仪开发”项目进展顺利，进度和成果产出达到任务书要求的考核指标，顺利通过综合验收。“基于飞秒激光的太赫兹时域光谱仪开发”项目概述项目编号：2012YQ140005；项目组织单位：北京市科学技术委员会；项目牵头单位：大恒新纪元科技股份有限公司；项目第一技术支撑单位：首都师范大学；项目协作单位：北京大学、南京大学、中国科学院电子学研究所、上海理工大学、北京理工大学、清华大学、中国农业大学、北京农产品质量检测与农田环境检测技术研究中心、中央民族大学、北京中医药大学东直门医院、中国石油大学（北京）、东莞理工学院、中国科学院半导体研究所；项目起止年限：2012年10月至2017年9月；项目总体目标： 攻克太赫兹源、探测器等模块联用和集成关键技术，研发纳米金属薄膜宽频谱太赫兹源、Nb5N6超薄膜的室温太赫兹探测等关键部件，开发仪器操作平台软件与谱解析系统软件，通过系统集成和工程化开发，研发出性能稳定、质量可靠的基于飞秒激光的太赫兹时域光谱仪；通过在食品安全检测、药品分析、临床检测、油气分析等领域中的应用开发，丰富太赫兹时域光谱仪的测试应用功能，并在材料无损检测、环境监测等领域推广。该项目国家给予重大科学仪器设备开发专项资金人民币6,780万元，分阶段拨付，由牵头单位、第一技术支撑单位和协作单位共同使用。“基于飞秒激光的太赫兹时域光谱仪开发”项目验收情况该项目主要针对太赫兹时域光谱仪及各个关键模块进行了研究和开发，先后开发出具有自主知识产权的超快激光器、太赫兹源、太赫兹探测器等一系列核心产品，形成了四款各具特色的太赫兹时域光谱仪，打破了国外太赫兹技术在国内的价格垄断地位，具有较强的市场竞争力。目前太赫兹光谱仪已经在无损检测形成销售，该项目还在食品安全、民族医药、肾病检测、石油勘探、半导体材料等五个领域进行太赫兹的示范应用研究，进一步拓展了太赫兹时域光谱仪的应用，为太赫兹技术的产业化奠定了基础。关于大恒新纪元科技股份有限公司大恒科技于1998年12月14日注册成立，原名新纪元物产股份有限公司，1999年9月9 日更名为大恒新纪元科技股份有限公司；于2000 年11月29日在上海证券交易所上市（600288）。公司主营业务为光机电一体化产品、信息技术及办公自动化产品、数字电视网络编辑及播放系统、半导体元器件。据大恒科技业绩报告，2019年度实现营业收入33.06亿元，归属于上市公司股东的净利润7,308.76万元；2020上半年公司实现营业收入8.74亿元，实现归属于上市公司股东的净利润-2,201.73万元。

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。

美国哈佛大学和英国利兹大学的一个联合研究小组最近演示了一种新型太赫兹半导体激光器，其发射的太赫兹光波准直性能与传统太赫兹光源相比显著改善。该激光器的研发成功，为太赫兹科技的应用打开了更广阔的领域。哈佛已经为此提交了一系列专利申请。这一进展发布在8月8日的《自然材料》杂志上。　　新型太赫兹激光器突破了传统材料的限制，研究人员刻了一组亚波长光栅，直接加倍了超材料晶面的光流量，设备以3太赫兹(百亿赫兹)的频率发射光线(波长为100微米，在可见光谱中属于远红外线)，大大降低了这些半导体激光器的散射角度，同时保持了光能的高输出功率。　　这种超材料被直接嵌入光学设备的高吸收性砷化镓晶面上，在演示中能看到，人造光显示出深浅不同的微米光栅，各具不同的功能。浅蓝色的狭缝能将输出的激光功率加倍，导向并限定在晶体表面。　　太赫兹射线(T—rays)能穿透纸张、衣物、塑料和其他一些材料，在探测隐匿武器和生物制剂方面非常理想，在做肿瘤成像检测时对人体无伤害和副作用，还能探测材料内部诸如断裂之类的缺陷，也可用于星际稀薄化学物质的高灵敏探测。　　研究人员卡帕索表示，新的人造光学设备，从晶面上发出的激光器非常紧密，瞄准度非常高，高度凝聚使光能有效聚集，这是昂贵且笨重的传统透镜达不到的。　　另一位研究人员林菲尔德说，新的太赫兹激光器还能用于海关探测非法药品，并能检验生产和存储的药物是否合格。这种超材料还能用作一种演示的工具，同时还具有一些神奇的潜在功能，如用来研发隐身斗篷、负折射和高解析图像。　　研究的另一项重要意义就是这种超材料的光导作用。该设备产生的极强太赫兹光线，以直线光束导向激光晶面，这种超强的限定导向作用，还可应用于传感器和太赫兹光路。

美国哈佛大学和英国利兹大学的一个联合研究小组最近演示了一种新型太赫兹半导体激光器，其发射的太赫兹光波准直性能与传统太赫兹光源相比显著改善。该激光器的研发成功，为太赫兹科技的应用打开了更广阔的领域。哈佛已经为此提交了一系列专利申请。这一进展发布在8月8日的《自然材料》杂志上。　　新型太赫兹激光器突破了传统材料的限制，研究人员刻了一组亚波长光栅，直接加倍了超材料晶面的光流量，设备以3太赫兹(百亿赫兹)的频率发射光线(波长为100微米，在可见光谱中属于远红外线)，大大降低了这些半导体激光器的散射角度，同时保持了光能的高输出功率。　　这种超材料被直接嵌入光学设备的高吸收性砷化镓晶面上，在演示中能看到，人造光显示出深浅不同的微米光栅，各具不同的功能。浅蓝色的狭缝能将输出的激光功率加倍，导向并限定在晶体表面。　　太赫兹射线(T—rays)能穿透纸张、衣物、塑料和其他一些材料，在探测隐匿武器和生物制剂方面非常理想，在做肿瘤成像检测时对人体无伤害和副作用，还能探测材料内部诸如断裂之类的缺陷，也可用于星际稀薄化学物质的高灵敏探测。　　研究人员卡帕索表示，新的人造光学设备，从晶面上发出的激光器非常紧密，瞄准度非常高，高度凝聚使光能有效聚集，这是昂贵且笨重的传统透镜达不到的。　　另一位研究人员林菲尔德说，新的太赫兹激光器还能用于海关探测非法药品，并能检验生产和存储的药物是否合格。这种超材料还能用作一种演示的工具，同时还具有一些神奇的潜在功能，如用来研发隐身斗篷、负折射和高解析图像。　　研究的另一项重要意义就是这种超材料的光导作用。该设备产生的极强太赫兹光线，以直线光束导向激光晶面，这种超强的限定导向作用，还可应用于传感器和太赫兹光路。

p　　太赫兹波在电磁频谱中介于毫米波和红外之间，在材料科学、信息传输、环境监测、生命健康等诸多领域有广阔的应用前景。例如，利用太赫兹波可穿透非金属和非极性材料(如纺织品、纸板、塑料和木料等)而不产生电离损伤的特点，太赫兹成像技术在无损检测、人体安检和生物医学等领域具有重要应用价值。由于处在基于宏观经典理论电子学与基于微观量子理论的光子学之间的过渡区，太赫兹光源和探测器等核心关键器件的效率低下或需在低温下工作，太赫兹科学技术的发展受到了核心器件缺乏的严重制约。/pp　　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秦华课题组在“十一五”末成功开发了基于氮化镓高浓度二维电子气的室温、高速、高灵敏度太赫兹探测器。“十二五”期间，课题组围绕探测器的优化、可制造工艺和模块化集成等关键技术，初步形成了材料-器件-工艺-电路-集成的技术能力，成功开发了室温工作的高灵敏度单像元探测器模块和太赫兹焦平面成像器件，为进一步发展面向太赫兹成像和通信等应用的核心器件研制提供了关键技术支撑。目前课题组已经成功研制出单像元、线阵列和焦平面太赫兹成像模组。/pp　　图1所示的是针对220 GHz、340 GHz、650 GHz和850 GHz等大气吸收窗口研制的单像元太赫兹探测器模块。模块的电压响应度大于1 MV/W，等效噪声功率小于50 pW/Hz1/2，响应时间小于1& #956 s，其综合指标优于热释电和高莱等商业化太赫兹探测器。单像元模块的高速和高灵敏度性能已在中国电子科技集团公司第五十研究所的快速太赫兹成像仪和成都电子科技大学的太赫兹通信演示系统中得到试验验证。/pp　　图2所示的是规模为32× 32的焦平面和1× 64的线阵列太赫兹成像芯片，属于我国首次实现的基于场效应混频探测技术的太赫兹成像器件。其中，面阵列成像芯片由基于氮化镓的阵列探测器和基于CMOS的阵列读出电路通过倒装焊技术互连而成，线阵列成像芯片可由基于氮化镓的线阵列探测器和CMOS线阵列读出电路直接互连而成。/pp　　图3(a)所示为0.9 THz太赫兹光斑和0.34 THz牛顿干涉环的视频成像截图。图3(b)所示为1× 64线阵列成像器件探测得到340 GHz的一维太赫兹光斑图像。图5为对旋转塑料叶片进行实时成像的视频，帧频达到29Hz。基于目前已掌握的核心器件设计与工艺技术，可进一步扩大像素规模，近日已试制成功规模为128× 128的探测器阵列。/pp　　研制工作得到了苏州纳米所纳米加工平台、测试分析平台和相关合作团队的大力支持。在太赫兹焦平面成像芯片的研制中，中国电子科技集团公司第四十四所罗木昌博士领衔的合作团队研制开发了基于CMOS的阵列读出电路和成像信号处理系统，并承担了芯片互连和封装工艺的技术开发工作。/pp　　场效应混频探测器的研究工作得到了国家重点基础研究发展“973”计划、中科院“百人计划”、中科院重要方向性项目和国家自然科学基金等项目的支持。　/pp style="text-align: center "img width="450" height="450" title="01.jpg" style="width: 450px height: 450px " src="http://img1.17img.cn/17img/images/201603/noimg/45779c52-57c8-4ebc-9fa4-fc5eb69a2afd.jpg" border="0" vspace="0" hspace="0"//pp style="text-align: center "图1. 单像元太赫兹探测器模组及其扫描成像。/pp style="text-align: center "img title="02.jpg" src="http://img1.17img.cn/17img/images/201603/insimg/3511e5b9-ef9e-4126-a5b3-87656719a3c4.jpg"//pp style="text-align: center "图2. 32× 32焦平面和1× 64线阵列太赫兹成像芯片。/pp style="text-align: center "img width="450" height="469" title="03.jpg" style="width: 450px height: 469px " src="http://img1.17img.cn/17img/images/201603/noimg/212d7e26-5fa3-4b58-b624-c77457012250.jpg" border="0" vspace="0" hspace="0"//pp style="text-align: center "图3. 焦平面和线阵列太赫兹成像。br//p

仪器信息网讯 2012年8月8日-9日，由中国仪器仪表学会、“太赫兹光电子学教育部重点实验室”、《现代科学仪器》编辑部主办的2012太赫兹科学仪器及前沿技术专题研讨会在北京紫玉饭店成功召开。本次会议的宗旨是为太赫兹科学仪器研制开发提供技术交流平台，为太赫兹仪器选购提供技术咨询，并为太赫兹仪器使用提供技术支撑。本次研讨会特别邀请到电子科技大学刘盛纲院士、天津大学姚建铨院士等太赫兹研究领域的多名专家学者做精彩报告，吸引了来自各科研院所、仪器公司的近100位代表参会。会议现场　　开幕式由太赫兹光电子学教育部重点实验室主任张存林教授主持，中国仪器仪表学会副理事长兼秘书长吴幼华先生，电子科技大学刘盛刚院士分别为大会致辞。中国仪器仪表学会副理事长兼秘书长吴幼华先生电子科技大学刘盛纲院士　　首先，吴幼华先生代表主办方对各位代表表示热烈的欢迎。并介绍到，太赫兹科学仪器涉及的领域很广，专业性很强，是非常重要的交叉前沿领域，其技术进步为技术创新、国民经济发展和国家安全提供了一个非常诱人的发展机遇。　　电子科技大学刘盛纲院士在致辞中指出，“重要的科学成就必须以实验研究为基础，在国际上重要的仪器设备是一流大学所必备的条件。近几年，中国也越来越多的认识到科学仪器的重要性。在过去的十几年中，日本人拿了6个诺贝尔奖，以色列拿了两个诺贝尔奖，我们相信中国一定会拿诺贝尔奖，但是不知什么时候。我们有很多好的思想，只是做不出实验结果来，我们国家要想成为科技大国，加强对仪器设备的支持是非常必要的。此外，中国的太赫兹技术发展非常快，也得到了国家自然科学基金委的大力支持，不过目前还存在一些问题，如投资不太集中等”。国家自然科学基金委员会信息科学部张兆田主任　　在开幕式中，国家自然科学基金委员会信息科学部张兆田主任还做了《信息优先资助领域及其基金资助工作》的相关报告。在报告中，张兆田主任介绍了信息科学的发展规律与特点，发展状况与未来发展趋势、重点优先发展领域等。其中，新型毫米波与太赫兹器件就是其优先发展的领域之一，其研究内容包括太赫兹核心器件及阵列检测器、微结构太赫兹功能器件；新型太赫兹探测技术等。此外，张兆田主任还介绍了信息科学部的部门设置、资助方针、资助格局、资助项目类型、项目受理评审过程等相关内容。首都师范大学物理系张岩主任　　此外，首都师范大学物理系张岩主任也介绍了太赫兹科学仪器及前沿技术专题研讨会的会议组织等相关情况。　　大会报告 技术发展篇太赫兹光电子学教育部重点实验室主任张存林教授报告题目：基于飞秒激光的太赫兹时域光谱仪开发　　张存林教授在报告中详细介绍了国家重大科学仪器设备开发专项“基于飞秒激光的太赫兹时域光谱仪开发”的相关情况。介于微波和红外之间的太赫兹是物理与信息领域重大科学技术问题，太赫兹波谱是反应分子结构和空间阵列的指纹谱。太赫兹时域光谱仪未来将向宽谱、高能量、小型化的方向发展，在科研及食品药品鉴定和检测方面具有很重要的应用价值和前景，对经济社会发展、民生改善具有很重要的支支撑作用。在市场方面，近三年来，已经有上百家应用单位有着明确的应用需求。据2010年度太赫兹市场报告的预期，太赫兹在医学、安全和制造业领域相关产品的经济效益到2020年将可达到数千万到数亿美元，市场总额可达到数十亿美元。张存林教授还介绍说按此推算，“基于飞秒激光的太赫兹时域光谱仪开发”项目完成后，若中国市场可占到10%的全球市场份额，预期经济效益也将达到数亿美元。由此，也将拉动中关村高科技示范区高端仪器制造业及相关产业产值约10亿元人民币/年。上海大学马国宏教授报告题目：太赫兹脉冲的产生及波前控制研究　　马国宏教授介绍到目前THz波的研究主要包括THz源、THz检测和THz传输等方面，要使THz波的研究成果得到广泛的应用，尤其是将THz技术应用到远红外光谱学中，有必要研究THz脉冲的波前控制以及各种THz光子学器件的工作原理，从而实现对THz辐射的人工调控。随后，马国宏教授介绍了上海大学超快光子学实验室近年来在THz波的产生、THz的主动和被动控制、THz光子学和THz自旋电子学等方面开展的一系列研究工作。其中，主要探讨了利用THz波与各种微结构相互作用实现THz波前的控制，包括THz偏振控制、抗反射、全吸收设计、THz全禁带光子晶体以及THz磁共振器件等。中科院紫金山天文台副研究员张文先生报告题目：太赫兹高灵敏超导热电子探测器技术　　张文先生谈到，太赫兹波段存在丰富的分子转动谱线和原子精细结构谱线，通过对这些分子谱线的高频率分辨率观测，可以研究天文、大气和深空探测等领域的重要科学问题。超导HEB混频器是1HTz以上灵敏度最高的相干探测器，已经成功应用到Herschel空间卫星、SOFIA天文台和地面APEX望远镜开展天文观测研究。张文先生所在系统改进了超导HEB热电子混频器的热点模型，深入理解其机制，率先实现了4K闭环制冷环境下的超导HEB混频实验；并研制国际上最高频率(5.3HTz)天线耦合超导HEB混频器，灵敏度率先突破5倍量子噪声极限。此外，张文先生还介绍了其课题组在太赫兹超导HEB混频器应用方面的研究工作。天津大学姚建铨院士报告题目：太赫兹技术及太赫兹仪器的发展趋势　　姚建铨院士在报告中介绍到，随着太赫兹科学技术的飞速发展，对太赫兹科学仪器也不断提出新的需求，不仅推动了太赫兹科学仪器的快速发展，也催发了太赫兹前沿技术的不断涌现。同时，太赫兹科学仪器的前沿技术也表征着太赫兹科学仪器的先进性和尖端性，引领着太赫兹科学仪器的进一步发展。在这一部分内容中姚建铨院士介绍了太赫兹技术国内外研究及应用概况，光学太赫兹辐射源研究及太赫兹功能器件-微结构材料的应用等方面的情况。并且指出，微结构光学材料在激光技术、THz技术等方面可望实现传输、源、开关、放大、滤波、调制、吸收、偏振等功能，有十分重要的科学价值及实际意义。如果将微结构材料施加各种场(电、磁、声、光、热、机械等)作用可望产生新现象、出现新机理、实现新功能、制成新器件。此外，姚建铨院士还介绍了基于法布里-珀罗干涉仪的THz波长测试法及THz傅立叶变换光谱仪的相关研究工作。首都师范大学赵国忠教授报告题目：太赫兹波产生探测及太赫兹时域光谱技术　　赵国忠教授谈到，对于太赫兹光谱应用来说，获得宽带太赫兹辐射至关重要，目前，实验室使用的宽带太赫兹辐射源以光整流和电导天线为主。随后详细介绍了基于飞秒激光的宽带光电导天线的设计、研制，光电导天线温控系统和太赫兹辐射测量装置的研制，光电导天线太赫兹辐射特性等方面的研究工作。另外，半导体表面太赫兹辐射可以提供方便的宽带太赫兹源，进一步研究非常必要。其中，富含缺陷的氮化铟有望代替砷化铟成为高效、实用的宽带太赫兹辐射源。此外，赵国忠教授还指出太赫兹发射光学的研究也有助于探索半导体表面和内部的载流子动力学。　　此外，北京理工大学胡伟东教授、哈尔滨工业大学(威海)田兆硕教授、中国计量科学研究院孙青博士等也就太赫兹技术现状及研究进展做了精彩的报告。北京理工大学胡伟东教授报告题目：Progress in the Terahertz Pulse 3D Imaging System (220GHz)哈尔滨工业大学(威海)田兆硕教授报告题目：THz激光F-P旋转透过率研究中国计量科学研究院孙青博士报告题目：太赫兹光谱与功率计量技术　　大会报告 应用篇首都师范大学沈京玲教授报告题目：太赫兹光谱技术在毒品检测中的应用研究　　沈京玲教授介绍到，太赫兹波能够用于毒品检测和识别是基于下列两个事实：多数毒品在太赫兹波段具有特征吸收；多数包装材料如纸张、织物、塑料、木头，对太赫兹波是透明的。将两者结合起来，使太赫兹技术非常适于进行毒品的无损检测应用。随后，沈京玲教授详细的介绍了所在课题组近年来在毒品检测识别方面的相关工作：应用太赫兹光谱和成像技术对毒品进行品种鉴定和含量分析，完成了确定毒品纯度和有效成分含量的理论和实验方法；对隐藏在信封和包裹中的毒品进行探查；建立了含有38种纯度在90%以上的毒品的太赫兹光谱数据库等。上海理工大学副院长朱亦鸣教授报告题目：基于太赫兹技术的药物分析与检测　　朱亦鸣教授介绍到，国内外现有药物检测技术手段无法有效的检测出假药，而且无法做到在线式检测。太赫兹波处于微波电子学与红外光子学的交叉、过渡区域，是被公认的有重要科学价值和巨大应用前景的频率窗口。太赫兹技术先后被列为“改变未来世界的10种技术”及“2011年六大类电子类新技术”之一，是分析分子有机功能基团最有效的手段。基于这些优势，朱亦鸣教授所在课题组利用时域太赫兹波谱系统对中西药做了相关检测，结果显示太赫兹光谱技术对各种药物鉴别率可达90%，扫描速度达到1s/片，可以做到无损探测及真正的在线检测和分析，并且结合HIPHOP模型，还可以进行药理基团的解析。中国石油大学(北京)赵卉博士报告题目：太赫兹技术在油气光学中的应用　　赵卉博士在报告中介绍说，油气光学是研究油气物质的光学性质、光在油气介质中的传播规律和光学技术在油气领域应用的科学。它是在石油与天然气工程、地球探测与信息技术、材料科学与工程、物理学、光学工程等学科发展与支持的基础上建立起来的一个新兴交叉学科。针对国家重大需求，并且基于太赫兹与油气物质相互作用的认知，赵卉博士所在课题组建设了以油气资源、石油化工为研究对象的太赫兹波谱与探测技术平台，开发了油品光学性能透射式测试装置，岩石光学性能透射式测试装置，基于对岩石有机质、干酪根、基础油、汽油等多种体系的太赫兹频段特征吸收带的认知，建立了石油化工产品太赫兹光谱特性和理化性能之间的关系，为太赫兹技术在油气领域的应用提供了实验基础。　　此外，中科院上海微系统所谭智勇博士、中科院工程物理研究院流体物理研究所助研朱礼国先生也就太赫兹技术的应用做了精彩的报告。中科院上海微系统所谭智勇博士报告题目：太赫兹量子器件及其成像应用中科院工程物理研究院流体物理研究所助研朱礼国先生报告题目：超快太赫兹光谱在研究太阳能光伏材料中的应用　　除了以上各位专家的报告之外，安捷伦科技(中国)有限公司叶伟斌先生，脉动科技有限公司陆明先生，先锋科技股份有限公司Albert Rsdo-Sanchez先生、Patrick F. Tekavec先生，顶尖科仪(中国)股份有限公司贺雪鹏先生也介绍了公司的产品特点及研发情况。安捷伦科技(中国)有限公司叶伟斌先生报告题目：安捷伦毫米波测试解决方案脉动科技有限公司陆明先生报告题目固体THz源和异步采样THz时域光谱系统先锋科技股份有限公司Albert Redo-Sanchez先生报告题目：Terahertz Instrumentation Status and Market Outlook先锋科技股份有限公司Patrick F. Tekavec先生报告题目：High Power THz sources顶尖科仪(中国)股份有限公司贺雪鹏先生报告题目：飞秒光纤激光器及其在太赫兹光谱学中的应用　　报告会之后，与会代表参观了首都师范大学太赫兹光电子学教育部重点实验室，相关工作人员为与会代表详细介绍了实验室整体概况，并就相关仪器及其研究的课题同与会代表进行了深入的沟通。与会代表参观太赫兹光电子学教育部重点实验室太赫兹光电子学教育部重点实验室部分仪器设备与会代表合影

近日，瞬态光学与光子技术国家重点实验室在太赫兹频段可变焦消色差超透镜领域取得新进展，相关研究成果发表于Journal of Science: Advanced Materials and Devices(IF = 7.38)。论文第一作者为博士生江晓强，通讯作者为范文慧研究员。 　　超透镜是一种二维平面透镜结构，具有体积小、重量轻、易于集成等特点，可实现对太赫兹波振幅、相位、偏振等参量的灵活调控，有望解决天然材料在太赫兹频段电磁响应不足而导致的效率低、体积大等问题。近年来，消色差超透镜由于能够有效消除宽频带成像产生的色差问题而受到广泛关注。然而，如何在实现宽频带消色差的同时，赋予超透镜连续变焦的能力，仍然是目前亟待解决的难题。 　　针对此问题，研究团队首先基于Ⅲ-Ⅴ族半导体材料锑化铟(InSb)设计了性能优异的单元结构。随后，研究团队采用几何相位和传输相位相结合的方式，巧妙设计超透镜单元结构的排布方式与空间取向，采用单层超透镜实现了太赫兹波的宽频带聚焦，有效消除了色差现象。进一步地通过改变器件工作温度，进而调控器件单元结构的相位补偿范围，实现了焦距736.25 μm (NA = 0.62)至 861.02 μm(NA = 0.56)的连续变焦。本研究成果为设计多功能消色差超透镜提供了一种新思路，有望进一步拓展太赫兹频段超透镜在显微成像和内窥镜等领域的实际应用。 图1 连续变焦消色差超透镜工作示意图 　　西安光机所范文慧研究员带领的太赫兹光子学与表面微纳智造团队已在超宽频谱太赫兹波产生与探测、超快太赫兹波谱成像与应用、太赫兹频段超材料与超表面功能器件等领域开展持续研究并取得一定突破。相关研究成果陆续发表于Angewandte Chemie - International Edition、Carbon、Journal of Science: Advanced Materials and Devices、Optics Letters、Optics Express、Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy、Nanomaterials等国际知名期刊，获得了国内外同行的广泛认同。

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。

德国亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫(HZDR)研究中心的科学家通过在 SiC 上一个微小的片状石墨烯加上天线，开发出一种新的光学探测器。据称，这种新型探测器可以迅速的反射所有不同波长的入射光，并可在室温下工作。这是单个检测器首次实现监测光谱范围从可见光到红外辐射，并一直到太赫兹辐射。　　HZDR 中心的科学家们已经开始使用新的石墨烯探测器用于激光系统的精确同步。据HZDR 物理与材料科学研究所的物理学家 Stephan Winnerl 称，相对于其他半导体，如硅或砷化镓，石墨烯可以承载具有超大范围光子能量的光，并将其转换成电信号，只需要一个宽带天线和恰当的衬底来。　　石墨烯片和天线组件吸收光线，将光子的能量转移至石墨烯的电子中。这些“热电子”能够增加探测器的电阻，产生快速电信号，在短短 40 皮秒内便可完成入射光注入。　　衬底的选择是提高捕光器的关键。过去使用的半导体衬底吸收了一些波长的光，但碳化硅可在光谱范围不主动吸收光。 此外，天线的作用就像一个漏斗，捕捉长波红外和太赫兹辐射。目前，科学家们已经能够将光谱范围增加为此前型号探测器的90倍，所能探测到的最短波长比最长的小 1000倍。而在可见光中，红光波长最长，紫光波长最短，红光波长仅是紫光的两倍。　　该光学探测器已被 HZDR 中心采用，用于易北河中心的两个自由电子激光器的精确同步。这种精确同步对“泵浦探针”实验尤为重要，研究员使用其中一个激光器激发材料，再使用另一个具有不同波长的激光器进行测定。在这种实验中，激光脉冲必须精确同步。因此，科学家们使用石墨烯探测器如同使用秒表。精确同步的探测器可以显示出激光脉冲何时达到目标，大带宽有助于防止探测器变为潜在错误来源。该种探测器的另一个优点是，所有的测量可以在室温下进行，避免了其他探测器所需的昂贵和费时的氮气或氦气冷却过程。

据美国物理学家组织网2010年6月30日(北京时间)报道，美国科研人员开发出了首个集成太赫兹(THz)固态收发器，新设备比目前使用的太赫兹波设备更小，功能更强大。相关研究成果发表在最新一期的《自然光子学》杂志上。　　太赫兹技术是近年来十分热门的一个研究领域，2004年被评为影响世界未来的十大科技之一。美国能源部桑迪亚国家实验室的研究人员将同一块芯片上的探测器和激光器结合在一起，制造出了该接收设备。在实验中，研究人员将一个小的肖特基二极管嵌入一个量子级联激光器(QCL)的脊峰波导空腔中，让能量能够从量子级联激光器内部的磁场直接到达二极管的阴极，而不需要光耦合通路。这样，研究人员就不需要再为制造这些收发器等设备所需要的光学“零件”如何定位而“抓耳挠腮”了。　　新的固态系统利用了太赫兹波发出的频率。太赫兹波是指频率在0.1THz—10THz范围的电磁波，介于微波与红外之间，它能够穿透非金属材料，从而为安检、医学成像提供新的手段，在物体成像、医疗诊断、环境检测、通讯等方面具有广阔的应用前景。　　量子级联激光器是产生太赫兹辐射的重要器件之一，科学家于2002年演示了半导体太赫兹量子级联激光器。太赫兹量子级联激光器的一个优势在于其能够同其他组件一起被整合在同一个芯片上。然而，此前要想装配出灵敏的相干收发器系统，研究人员需要将零散的、并且常常是巨大的组件组合到一起。而现在，研究人员只是将太赫兹量子级联激光器和二极管混频器整合在一个芯片上，就可以组成一个简单实用的微电子太赫兹收发器。　　研究人员也证明，新的太赫兹集成设备能够执行以前组件零散的太赫兹系统的所有基本功能，例如传输相干载波、接受外部信号、锁频等。

第十届超快现象与太赫兹波国际研讨会（ISUPTW 2021)将于2021年6月16-19日在成都举行。会议将围绕太赫兹科学与技术和超快现象两个专题展开讨论，主题覆盖了太赫兹和超快现象领域各研究方向，是一次大规模的多学科、综合性和高水平的国际学术活动。ISUPTW2021-会议基本信息主办单位：中国工程物理研究院承办单位：中国工程物理研究院流体物理研究所、中国工程物理研究院应用电子学研究所协办单位：青岛青源峰达太赫兹科技有限公司、中国工程物理研究院电子工程研究所、中国激光杂志社会议时间：2021年6月16-19日会议地点：四川成都会议酒店：成都环球中心天堂洲际大饭店（成都市武侯区天府大道北段1736号）会议网站：www.isuptw.com大会主席李泽仁，中国工程物理研究院大会共主席张希成，罗切斯特大学（美国）李儒新，中国科学院上海光学精密机械研究所程序委员会主席朱礼国，中国工程物理研究院大会报告日程太赫兹专题（一）日程安排太赫兹专题（二）日程安排超快专题日程安排

在2021年的夏天，我们客户支持团队访问了西班牙同步辐射光源（ALBA）的材料科学和粉末衍射(MSPD) 实验线站，并对其新购入的MYTHEN2 X 8K探测器进行了验收检测。这样该线站的旧探测器就可以正式退役，新的探测器将踏上新的征程。新的MYTHEN2 X 8K 能够在2θ内覆盖了60°的角度范围，可提供高达1000赫兹的速度，并维持动态范围在24比特。我们采访了MSPD线站的负责科学家Francois Fauth博士，来听听看他对新探测器的想法，尤其是应用在粉末X射线衍射（PXRD）和对分布函数（PDF）中。 在MSPD线站上的MYTHEN2 X 8K 配置：八个模块和两个DCS4，用于高角度覆盖和速度。图片由ALBA同步辐射光源提供DECTRIS：与旧的 MYTHEN 探测器说告别，会不会很不舍？ MSPD 线站负责科学家 Francois Fauth 博士：通常来说，评价一个线站是否成功有很多方法：比如说借助该线站发表的论文数量或者再次前来实验室做实验的用户数量。MSPD线站同时在这两方面取得了成功，这让我们感到自豪与高兴。 当然，退役的MYTHEN探测器是成功的关键一环：该探测器与我们一起工作了近十年，在这十年里，我们线站85%的标准粉末衍射实验都是使用这个探测器进行的。这台探测器让我们可以进行原位、操作中, 标准PXRD探测以及PDF研究。我们现在把退役的探测器系统安装在另一个新的实验线站里，并用于补充其X射线吸收数据的收集。 DECTRIS：旧的MYTHEN检测器仍在良好运行。是什么让你想到购买新的探测器？ Francois Fauth 博士：有两个原因。实际的原因是，退役的MYTHEN依赖于一个探测器控制系统（DCS）。该系统是由Paul Scherrer研究所研发的，但是这个DCS已不再支持售后。另一个原因是科学上的：我们的线站在5-40KeV的范围内运行，我们希望有一个新的探测器来将我们推向更高X射线能量下的实验。当然，对于PDF来说，我们在采集速度上无法与使用二维探测器的高能线站竞争，比如ESRF的ID22。 与旧的MYTHEN相比，新的MYTHEN有更多的模块，传感器的厚度为1毫米，这意味着更高的角度覆盖和更高的量子效率。对于PDF，旧的设置通常需要四次45分钟的采集。新系统更大，效率更高，所以也可以探索一些现场的PDF测量。 DECTRIS：改用新的探测器，对操作层面的用户会有什么影响？ Francois Fauth 博士：我们的大多数用户来自学术界，他们通常不需要DECTRIS探测器系统所提供的非常快的时间分辨率能力。他们中的大多数人对电池和能源相关的材料感兴趣，他们经常进行操作性研究，或研究晶体结构随温度变化的情况。 对于高级用户来说，更换探测器应该不成问题，因为许多程序将保持不变。事实上，我们已经开始和我们的用户一起收集PXRD和PDF数据了! 我们也有工业用户，线站科学家通常协助他们进行检测。 DECTRIS：你可以用MYTHEN2来根据自己的需求设计多模块系统. 这是如何做到的？ Francois Fauth 博士：是的，使用单个模块，我们可以自由选择曲率半径和模块在支架上的排列。但是，还有另一个灵活性的问题。通常情况下，当你购买一个探测器时，没有改变或升级的可能，但对于MYTHEN2，几乎在任何时候都有可能增加或重新安排模块。 关于 Francois Fauth 博士Francois Fauth是瑞士人，在苏黎世联邦理工学院研读物理学，然后在保罗-舍勒研究所凭借中子散射技术完成博士学位。他的科学生涯完全是在大型实验设施中度过的：特别是ILL、PSI、ESRF和ALBA，在那里他承担了衍射或散射仪器的线站科学家职责务。 他于1999年加入了瑞士光源，迈出了进入同步辐射光源的第一步，在那里他参与了MS粉末衍射站的设计，该站集成了第一个MYTHEN探测器。自2011年以来，Francois Fauth一直负责MSPD光束线；他还负责ALBA的化学和材料科学部分，其中包括衍射、散射和硬X射线吸收光束线和技术。 About ALBAALBA是位于西班牙的第三代同步辐射源。它由Consortium for the Construction, Equipping, and Exploitation of the Synchrotron Light Source (CELLS) 管理，并由西班牙政府和加泰罗尼亚自治区政府资助。 ALBA目前有10条最先进的实验线站正在运营，包括软X射线和硬X射线，主要用于生物科学、凝聚态物质（磁性和电子特性、纳米科学）和材料科学。此外，还有三条光束线站正在建设中（用于大分子晶体学的微焦点、快速X射线断层扫描和放射学以及光学特性分析）。ALBA现在正在升级，以转变为第四代同步辐射光源，即ALBA II。

据美国物理学家组织网2月7日报道，瑞典查尔姆斯理工大学的科学家开发出迄今世界上最灵敏的新式声波探测器，能检测到量子水平的声波。该研究有望带来一种将声子和电子结合在一起的量子电路，为量子物理开辟新的研究方向。相关论文发表在最近出版的《自然物理学》上。　　这种“量子麦克”探测器是一种压电耦合单电子晶体管，这种晶体管中通过电流时，一次只过一个电子。研究小组模拟了卵石投入池塘形成的涟漪，并让这种声波在微晶片的表面而不是在空气中传播。这种声波波长仅3微米，但声波传过来时，探测器能迅速感知到。　　他们还在芯片表面制作了一种3毫米长的回音腔，这样即使声音在晶体上传播的速度是其在空气中的10倍，探测器也能够极灵敏地追踪声波脉冲在回音腔壁之间来回反射，由此能清晰检出声波的性质。　　研究人员指出，这种表面声波探测对波峰高度只有质子直径的百分之几的声波敏感，探测灵敏度在单个声子水平，频率为932兆赫兹。如此轻微的声音遵从量子力学法则而不是经典力学法则，其性质更像是光。　　“该实验是用经典声波来做的，但我们把各项准备工作就绪，却发现研究的是标准的量子声波，此前还没有人做过这样的实验。”论文第一作者、博士生马丁古斯塔夫森说。　　“量子麦克”探测器能检测的声波不仅极其轻微，其频率几乎达到了1千兆赫，比一组A音高21个八度。这种音调对人类听觉而言是太高了。研究人员还指出，他们的项目将表面声波的独特性和量子电路紧密结合在一起，为研究开辟了新方向，如声子—声子的相互作用、声波结合超导量子比特研究等。