超灵敏探测装置

中科院相关院所与江苏省无锡市13日就超灵敏炸药探测仪技术转让一事签约，意味着由中科院承担的国家863计划项目、我国自主研发的超灵敏炸药探测仪正式开始产业化进程。 　　超灵敏炸药探测仪是我国完全拥有自主知识产权的一种高新技术产品，使用分子印迹荧光聚合物传感技术识别炸药。技术研发人、中科院上海微系统与信息技术研究所研究员程建功介绍说，重量仅为1.2公斤的超灵敏炸药探测仪采用荧光聚合物传感技术，比国内一般探测仪速度至少快10倍，发现炸药只需5至8秒，且不污染环境，对使用者无辐射无副作用。这一技术的发明，使我国成为除美国外第二个拥有该项技术的国家。 　　专家表示，该仪器能够模仿警犬，通过识别爆炸物挥发的气味嗅出隐藏的爆炸物或残留在被检测对象表面的炸药痕迹，灵敏度达到0.1ppt，也就是说探测器能检出10万亿个空气分子中存在的1个炸药分子。这甚至比训练有素的警犬还要敏感一个数量级。这一技术对于提高我国公共安全事业中安检防爆的灵敏度和准确率，有着重要意义。 　　签约仪式上，无锡市政府表示，将在半年内建成生产线，完成探测仪的工程化设计，实现规模化生产。

时间分辨泵浦-探测超快光谱由于其独特的优势（如超高的时间分辨率、费米面以上激发态的观测、相干玻色子激发等），被广泛应用于研究各种凝聚态物理(和其它科学)，包括高温超导、复杂相变、多自由度耦合、相干调控、激光诱导新量子态和隐态等。高压技术通过直接改变晶格常数来调节电子能带结构和自旋特性等，提供了一种独特、干净的调控手段，也成为凝聚态物理(和其它科学领域)研究的重要手段。近年来，在上述丰富而深刻的基础科学需求的推动下，人们致力于将超快光谱和高压物理这两个领域结合起来，以研究高压条件下的超快动力学[Chin. Phys. Lett. (Express Letter) 37, 047801 (2020)]。研究挑战主要来自于实验仪器产生数据的可靠性。由于研究超快动力学的实验非常精细，压力变化也容易引起复杂的物理效应，保证仪器装置获取可靠精准的、有可比性的实验数据对于高压超快动力学这个交叉方向的开启和发展至关重要。例如，如果实验过程中将高压装置拿出光路进行加压、调压、校压之后再放回光路，可能会导致位置偏移和样品转动，将会引入人为实验误差，对于泵浦-探测这样的双光束实验的干扰尤为明显（把双光路光谱实验与高压技术相结合面临更多挑战）。从实践看，国内外目前已有的初步尝试，大多获得的是准粒子寿命信息，缺乏可靠的幅值信息，这为研究超快动力学带来了困难，例如量子材料的超导相变、CDW竞争序、拓扑相变等量子物性的标志特征之一是能隙的打开或闭合，能隙的变化直接对应于激发态超快光谱实验中的声子瓶颈效应（phonon-bottleneck effect），确认声子瓶颈效应需要幅值和寿命双方面的信息，仅有寿命信息不足以确认，于是同时获得可靠的幅值和寿命信息对于高压超快动力学这个交叉领域的开启、成型和顺利发展至关重要。这对仪器装置提出两个关键要求：（1）技术层面--研制可靠精准的在线原位（on-site in situ）高压超快泵浦-探测光谱实验装置，（2）标准层面--提出相应的标准描述，同行们在报道实验结果时最好明确是否为在线原位获得的实验数据，以保证学术交流中实验数据有可比性，从而从整体上提高数据的可靠性，减少不必要的人为误差甚至误导。近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心表面物理国家重点实验室SF05组赵继民研究员及博士后吴艳玲、博士生加孜拉哈赛恩和田珍耘与北京高压科学研究中心丁阳研究员及博士生尹霞合作，成功搭建了一套室温条件下工作的“在线原位（on-site in situ）”的高压超快泵浦-探测光谱装置（图1）。该仪器装置的搭建取得了重要突破：（1）技术方面，实现了on-site in situ 技术，在整个实验过程中高压DAC不拿出光路，在光路中即可加压、调压、校压，完全避免了复位误差（repositioning fluctuation）（图2），最大程度保证了实验过程中样品不发生（控制在CCD监控微调误差范围以内的）移动或转动，避免了实验过程中不必要的人为误差，在实验数据的精准可靠性方面实现了最大化；（2）标准方面，提出了on-site in situ标准描述，如果在文章中明确DAC是否移出及放回了光路，则可在学术交流中提高实验数据的可比性（图3），避免了不必要的对比误差和解读偏差（使用机械臂将DAC移出光路并复位的装置，在最好的情况下等同于在线原位的精度，一般也有可比性）。总之，基于上述两方面仪器研发的突破，研究团队获得了室温下的可靠的幅值和寿命双方面的超快动力学信息，提供了足够丰富和全面的物性信息，为获得量子材料的高压超快动力学、进一步理解复杂相变和高压引起的激发态超快动力学特性提供了可靠的保障。图1. “在线原位（on-site in situ）”高压超快泵浦-探测光谱实验装置原理图。图2. 复位误差（re-positioning fluctuation）若干情形举例：（a）样品有台阶、位错或晶畴边界引起的晶格变化；（b）样品表面有台阶引起的高度差；（c）样品中存在不均匀的掺杂或缺陷分布；（d）样品具有平面内的超结构或复杂晶格结构；（e）样品有转动，且动力学对晶格方向很敏感。图3. 采用“在线原位（on-site in situ）”超快实验装置和“非在线原位（off-site in situ）”超快实验装置对相同实验观测到的不同超快光谱实验数据之间的对比。其中（b）图与（c）图：在off-site实验中只看到一个变化特征，经过on-site条件的实验能够观测到两个变化特征，分别对应两个不同的物理特性（包括声子瓶颈效应及相变等）。相关工作近期发表在Review of Scientific Instruments上，获得了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委、中国科学院创新交叉团队、中国科学院对外合作重点项目、中国科学院先导专项、北京市自然科学基金重点项目的支持。相关工作链接：[1] Y. L. Wu, X. Yin, J. Z. L. Hasaien, Z. Y. Tian, Y. Ding, and Jimin Zhao, On-site in situ high-pressure ultrafast pump–probe spectroscopy instrument, Review of Scientific Instruments 92, 113002 (2021).https://doi.org/10.1063/5.0064071

中红外（2.5-25 μm）波段能够覆盖复杂分子的振动和转动能级跃迁，揭示多种分子的基础吸收带和复杂化合物独特的光谱特征。因此，高效分析工具——超灵敏中红外光谱探测，成为智能生化传感、新兴材料研究、环境气体监测、高精度医学层析成像等领域的重要测量手段。近年来，随着非线性频率上转换技术的进步，基于频率上转换的中红外光谱探测技术表现出显著的科研潜力。该技术利用强泵浦光场作用于非线性光学材料，将中红外光子耦合转换至近红外或可见光波段进行探测，从而规避了现有中红外探测器噪声大的不足，成为了一种有效的中红外直接光谱探测的替代方案，有望在中红外光谱探测灵敏度、探测效率、响应速度、成本效益等方面取得重要突破。现有对中红外光谱探测系统的研究成果表明，进一步扩大中红外频率上转换技术的超灵敏、宽频段的优势，可使其更广泛适用医学、生物、国防等领域的应用。然而，基于多种非线性光学材料的宽带中红外频率上转换系统往往需要强泵浦场来提升宽带转换效率，且系统在短波泵浦模式下工作，强泵浦场导致的非线性参量噪声将覆盖中红外波段，使得实现超灵敏的宽带中红外光谱探测极具挑战。为解决上述问题，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室武愕、陈昱、蔡羽洁等研究团队基于非简并光子对的时间-光谱量子关联技术，提出了一种低功耗、强鲁棒性的高灵敏中红外单光子光谱探测方案，实验验证了单光子水平光子通量下的中红外样品光谱测量。相关研究成果发表于Photonics Research 2022年第11期。该文章报道了一种极低光子通量条件下的中红外上转换光谱测量方案。该方案利用结合同步频率上转换技术的非简并关联光子、对时间-光谱量子关联特性实现了单光子水平的中红外上转换光谱探测，降低了强泵浦非线性噪声和环境噪声对中红外光谱测量的影响，大幅度提高单光子水平下的中红外光谱测量灵敏度和鲁棒性。图（a）展示了基于时间-光谱量子关联的宽带中红外单光子上转换光谱探测系统光路图。利用啁啾极化铌酸锂晶体中的非线性过程，自发参量下转换产生非简并宽频带的关联光子对，光子对产生率6.76×106 counts s-1 mW-1。其中，中红外信号光子覆盖3.14-3.80 μm中红外波段，提供了大于660 nm的光谱探测波长窗口。图（a）单光子频率上转换量子光谱系统图；（b）38 μm厚聚苯乙烯薄膜透射光谱实验基于同步脉冲泵浦技术实现了中红外信号光子的非线性频率上转换，验证了中红外上转换光子（0.78-0.81 μm）与共轭的近红外预报光子之间的非经典相关性得以保留，展示了基于时间-光谱量子关联的中红外单光子上转换光谱测量的可行性。利用该系统对38 μm厚的聚苯乙烯样品进行透射光谱的测量，如图（b）所示。入射样品的中红外光子通量低至每脉冲0.09光子。实验表明，中红外单光子上转换光谱与傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）的测量结果吻合，系统的光谱分辨率约为11.4 nm（10.5 cm−1）。相比于传统FTIR光谱探测方案，基于时间-光谱量子关联技术的宽带中红外单光子上转换光谱系统，既能够利用光子对的时间关联、频率关联量子特性降低频率上转换过程中多种噪声的影响，将中红外光谱测量灵敏度推进至单光子水平；又能使单光子探测器和单色仪等元件工作在其最优的工作波段，无需受待测样品特征波长的限制，拓展了系统的应用场景。系统高灵敏、低噪声、强鲁棒性、结构简单的优势，为光敏生化样品的中红外光谱测量提供了新的技术方案。后续将进一步开展更宽中红外带宽、更高灵敏度、更高信噪比的上转换光谱成像研究。

北京正负电子对撞机上的北京谱仪III（BESIII）实验实现了一种全新方法，为研究物质和反物质之间的差异提供了极其灵敏的探针。6月2日，相关研究成果刊发于《自然》杂志。　　论文所有匿名评审都对这一成果大加赞赏：“创新的测量方法”“很重要”“很新颖”“吸引人”“非常有前景”… … 到底是什么成果，竟让匿名评审们如此兴奋？　　不好好“组CP”的反物质　　“正反物质不对称性”是困扰科学界半个多世纪的问题，也是粒子物理学家一直在寻找的现象。他们常会提到一个词——“CP破坏”。　　“CP破坏”里的“CP”，和我们平时常说的“组CP”里的“CP”（情侣档）并不是一码事。　　130亿年前，宇宙在发生大爆炸之后迅速膨胀、冷却，大量正反粒子彼此结合、湮没。然而，就像闹了别扭的情侣一样，正反粒子在结合湮没的过程中，行为出现了一些不同。每十亿个正反粒子湮没的过程中，就有一个正物质粒子被留了下来，并最终组成了当今宇宙中所有的物质。　　科学家将正粒子和反粒子衰变过程不一样的现象，称为“CP破坏”。　　“CP破坏”的名字与李政道、杨振宁密切相关。他们提出并获得诺贝尔物理学奖的“宇称不守恒定律”认为，粒子的弱相互作用中存在“镜像”空间反射不对称性。　　在此基础上，科学家总结出了“CP破坏”。“CP破坏现象可以用来解释为什么我们的世界中只有正物质，没有反物质。”中国科学院高能物理研究所所长、中国科学院院士王贻芳告诉《中国科学报》。　　宇宙原初反物质为何消失？　　超子CP破坏有望解谜　　自上个世纪60年代以来，国外科学家已经相继在介子系统中发现了CP破坏。可是，正反物质的不对称性并没有因此得到完美解释。　　“在构成世界的主要粒子中，介子数量很少，介子衰变时多出来的正物质并不足以形成现在的世界。”王贻芳说。　　与数量稀少的介子不同，重子是构成世界的主要粒子。“如果能在重子中找到CP破坏，我们就能够更好地理解宇宙原初反物质消失之谜。”王贻芳说。　　遗憾的是，科学家从未在重子衰变中发现过CP破坏，原因在于“弱衰变信号有时会被强相互作用掩盖”。“所以要想看到重子的CP破坏，就需要有足够高灵敏度和创新性的实验方法，把弱相互作用与强相互作用的信号区分开来。”王贻芳说。　　超子是重子中的一种，类似于质子，但寿命很短，因此不像质子那样可以存在于我们身边。在超子中，有一个名叫“科西超子”的成员，由两个奇异夸克和一个轻夸克组成，当奇异夸克发生弱衰变时，它便消失了。　　超子衰变被科学家视为“寻找CP破坏的一个很有希望的狩猎场”，因为测量CP破坏时需要的一些信息可以通过超子的衰变直接测量。　　发现了高精度测量方法　　从2009年起，BESIII实验从正负电子对撞出的“碎片”中，收集到了约100亿J/psi粒子。这种名叫“J/psi”的粒子会衰变产生正—反科西超子，之后，正—反科西超子还会继续衰变、消失。　　BESIII实验组的科研人员用了100亿粒子事例中的13亿，分析出了正—反科西超子的诞生过程，重建出7万多个正—反科西超子对。如此一来，BESIII就成了一个干净、小巧的科西超子“工厂”。　　“干净”是因为本底污染率小于千分之一水平。“小”是因为BESIII实验中，超子产额并不算多。“巧”是因为BESIII实验的敏感度足够高。　　“我们的超子产额只有美国费米实验室一个叫HyperCP实验产额的千分之一，但单事例的敏感度是HyperCP单事例的一千倍。”BES III实验发言人、中科院高能物理研究所研究员李海波说。　　在分析数据时，BESIII实验组的科研人员发现了一种高精度测量超子CP破坏的方法。　　早先，他们发现，刚衰变出来的正科西超子和反科西超子之间存在一种特殊的现象——“量子纠缠”。于是，利用这种独特的量子纠缠效应，再结合科西超子其他数据信息，实验人员不仅从海量数据中同时找出了正科西超子、反科西超子的衰变信号，还以前所未有的精度测量出正—反科西超子的不对称参数。　　“新方法解决了30年来不能同时高效地对超子和其反粒子测量的困境，也给出了更丰富的CP破坏测量结果。”李海波说。　　“这一成果已经引起国际同行的关注，相关研究人员被2021年国际轻子光子大会邀请作大会专题报告，成为这一领域的新星。”王贻芳说。　　暂未发现新物理现象，将分析更多数据　　遗憾的是，BESIII实验组此次的测量结果并没有显示出超子的CP破坏迹象。即便如此，新方法的发现依然得到了国际匿名评审的认可。　　一位匿名评审点评说：“即使尚未发现CP破坏的新迹象，但研究方法上仍然很有趣。”另一位匿名评审认为：“新方法为将来的实验指明了方向，铺平了道路。”　　“这一创新方法为我们未来确认或排除超出标准模型的CP破坏来源带来了希望。”王贻芳说。　　抱着这样的希望，实验组正在向更高的测量精度发起挑战。“我们希望在不远的将来，能够用这种测量方法发现超子CP破坏的实验证据。”王贻芳表示，BESIII实验组正在分析100亿粒子衰变数据，测量精度有望再提高3倍左右。　　目前，这支由我国主要开展研究的实验团队面临着激烈的国际竞争。　　“欧洲核子中心的大型强子对撞机底夸克探测器（LHC-b）也正在大量制造超子。不过，他们的本底污染率比我们高。”李海波告诉《中国科学报》，BESIII实验组在测量上的优势在于BESIII实验“完美的探测器设计”。　　BESIII是我国历史上最早的粒子物理大科学装置——北京正负电子对撞机上的探测器。它关注两个科学问题：夸克如何组成物质粒子和宇宙物质—反物质不对称的起源。　　王贻芳介绍，从2009年至今，BESIII实验已经发表了400余篇研究成果。该探测器计划运行到2030年。　　作为我国自主研发的大型高能实验装置，BESIII实验吸引了来自17个国家80家科研机构的约500个科研人员，是目前国内正在运行的最大国际合作组。此次发表的新成果由中国科学家和国外合作者共同完成。

近日，合肥工业大学微电子学院先进半导体器件与光电集成实验室的王莉副教授和罗林保教授，成功研发出一种基于单p-型硅肖特基结的超灵敏近红外窄带光电探测器。相关成果以“Ultra-Sensitive Narrow-Band P-Si Schottky Photodetector with Good Wavelength Selectivity and Low Driving Voltage”为题于2023年12月31日作为封面文章在线发表在半导体器件领域的著名杂志IEEE Electron Device Letters上。图1. IEEE Electron Device Letters 2024年第一期封面窄带光电探测器由于仅对目标波长敏感，可以有效抑制背景噪声光的干扰，因此在机器视觉、特定波段成像、光学通信和生物材料识别等领域均具有重要的应用价值。但现有的加装滤波片、电荷收集变窄或热电子效应等窄带探测机制普遍存在着量子效率低的问题。为了提高窄带探测的灵敏度，研究人员通过将电荷陷阱引入有源层进行界面隧穿注入，或者利用场增强激子电离过程来实现器件内的光电倍增效应。但这些机制往往需要几十伏较高的电压才能激发启动，导致窄带探测器的性能易退化和工作能耗高。该研究团队在深入分析了上述问题的基础上，提出并实现了一种可在低驱动电压下工作的高灵敏窄带光电探测器。通过采用双层结构肖特基电极以及增大光生电子和空穴之间的渡越时间差，在保证高波长选择性的前提下实现了器件光电转化效率的大幅提高。该探测器仅在1050nm附近有探测峰，对紫外及可见光几乎无响应。在零偏压下器件的比探测率达∼4.14×1012Jones，线性动态范围约为128 dB。当工作偏压由0 V增加到- 3 V时，器件外部量子效率可以从96.2 %显著提升到6939%，同时探测峰半高宽保持在约74 nm不变。这一成果为实现可在低驱动电压下工作的超高灵敏窄带光电探测器提供了新思路，有望在光电子领域得到广泛应用。图2. （a）器件内光强分布模拟结果，零偏压下（b）器件在不同波长光照下的电流-电压曲线，（c）线性动态范围，（d）不同偏压下器件的外部量子效率随波长变化曲线。上述工作得到国家自然科学基金、安徽省重点研发计划、安徽省自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项等项目的资助。论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/ d ocument/10312826

高灵敏度、小型化的超声探测器在诸多方面发挥着重要应用，例如医学诊断、光声成像、无损检测等。目前，商用的超声波探测器主要采用压电换能器，但为了实现较高的灵敏度，往往需要较大的尺寸，其传感器的典型尺寸一般为毫米到厘米。 　　近些年来，随着微纳光电技术的发展，在硅芯片上微加工制备得到的光学超声波探测器可同时实现较高的灵敏度和空间分辨率。其中，微腔光力系统由于其高灵敏度、宽带宽、低功耗和易于集成等优越特性，引起越来越多的关注。由于微腔光力系统中的较强光力相互作用，微腔的机械位移可以通过光学共振信号来敏感读出。由于机械共振增强了响应，且光学共振可增强读出灵敏度，因此微腔光力系统已被证实是位移、质量、力、加速度、磁场和声波等物理量的高灵敏探测理想平台。 　　前期工作中，研究人员已在各种体系的光学微腔中实现超声波/声波的探测，例如二氧化硅微腔、聚合物微腔、硅微腔等。多数超声波探测是在液体环境中实现的。而在空气环境中，由于超声波吸收损耗大，且声源/空气界面处的阻抗失配大，高灵敏度的超声波探测依然颇具挑战。前期工作中，空气耦合的超声波探测只在1 MHz以下频段实现。空气耦合的超声波探测在一些特定场景中具有重要应用，例如气体光声光谱和非接触式超声医学成像等。 　　为了提高空气耦合的超声波探测灵敏度，并拓展探测频率范围，近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心研究人员使用微芯圆环腔演示了在MHz频率范围内的空气耦合高灵敏度超声波探测。 在该工作中，研究人员通过光刻、氢氟酸腐蚀、氟化氙刻蚀、二氧化碳激光回流的微加工工艺，制备了带有较细的硅基座的微芯圆环腔，从而减少来自衬底的机械运动的约束，获得了在2.56 MHz的一阶拍动模式下约700的高机械品质因子，同时光学品质因子达到107以上。凭借较高的光学和机械品质因子，以及与超声波具有较大空间重叠的2.56 MHz的一阶拍动模式，他们在机械模式附近0.6 MHz的频率范围内实现了仅受热噪声限制的灵敏度，在0.25-3.2 MHz的频率范围内实现了46 μPa/Hz1/2-10 mPa/Hz1/2的灵敏度。此外，他们在机械共振频率下利用超声波驱动传感器时观察到了二阶和三阶机械边带，通过测量不同超声波压强(P)下的信噪比(SNR)，发现一阶、二阶和三阶机械边带的分别与P、P2和P3大致成正比，三个机械边带上的测量强度与理论结果一致。这种非线性转换提供了一种扩展位移传感动态范围的方法。　　该研究演示了一种基于微芯圆环腔的空气耦合高灵敏度MHz频段超声波探测方案，实现了宽带、高灵敏度超声检测。这项工作拓宽了使用微腔光力系统进行空气耦合的超声波探测的频率范围，并获得了较大频率范围的热噪声主导区域。相关研究成果以High-Sensitivity Air-Coupled Megahertz-Frequency Ultrasound Detection Using On-Chip Microcavities为题于近日发表在Physical Review Applied上。相关研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委项目和中科院基础前沿科学研究计划的支持。图1 (a) 微芯圆环腔的光学显微镜图。(b) 模拟的回音壁模式的基模光场分布。(c) 1550 nm附近微腔的透过率谱。(d) 超声波探测实验装置的示意图。图2 (a) 微腔超声波探测器的噪声功率谱(黑色实线)与在2.56 MHz频率处施加了超声波信号的响应谱(绿色实线)，虚线为计算得到的理论噪声。(b) 微腔超声波探测器的系统响应，即微腔对不同频率的超声波的响应。(c) 微腔超声波探测器的压强(左轴)和力(右轴)灵敏度谱。图3 (a) 施加单频超声波后不同阶机械边带的响应。(b) 一阶、二阶、三阶机械边带的与超声波压强的关系。

p style=" line-height: 1.5em " & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 纳米粒子或病毒分子的灵敏探测技术，对环境监控、医学诊断和防恐安全等诸多领域有明显的实用价值。如，在大气污染物中，相比微米颗粒(PM2.5)，纳米悬浮颗粒可穿透人体肺部细胞和血脑屏障，对健康的威胁更大。而目前，灵敏度最高的光学传感器可检测10纳米的微粒，已逼近理论极限。近日，湖南师范大学教授景辉，提出了一种突破静态腔探测理论极限的新方案，利用旋转环形光学微腔，可使灵敏度达到目前最好的静态腔的3倍，从而探测到更小的纳米颗粒。这一结果日前发表在美国光学学会的旗舰期刊《光学》上。该工作不仅对灵敏探测技术有明显实用价值，也为研究新型旋转腔人工量子器件技术开辟了道路。 br/ /p p style=" line-height: 1.5em " 　　根据光学传感器工作原理，当微粒靠近传感器时会影响其中光的传播，进而影响光输出。通过在输出端探测光学输出的变化，就可实现微小粒子的检测。不过，越小的微粒，引起的光学输出变化越弱，越不容易被探测。目前实验学家已通过抑制光学耗散或减小传感器体积等方法来提高灵敏度，但受光耗散或器件体积不可能无限减小的限制，这些技术方案存在探测的理论极限。 /p p style=" line-height: 1.5em " 　　景辉的这一旋转光学微腔方案，开拓性地提出了利用相对论萨格纳克效应，突破静态光学腔量子探测的理论极限。相对于静止的光学传感器，这种不依赖光学耗散或器件体积，仅依赖机械转速的旋转腔传感器可显著增强微粒对光的影响，放大光学输出的变化，进而突破量子探测理论极限，实现超高灵敏度探测。 /p p br/ /p

据美国媒体报道，美国密歇根大学研究人员正在开发一种便携式可调节的二维微型气体（气相）色谱仪，能识别并检测化学气体成分，更加灵敏智能，可用于探测爆炸物、化学武器挥发气体，还能通过病人的呼吸诊断病情，侦查矿井是否安全等。仪器也非常节能，对矿井作业和偏僻地区医疗室具有很大优势。相关论文近日发表在《分析化学》杂志上。 该校生物医学工程系教授范旭东(音译)解释说，挥发气体中的各种成分就像一团团微小的云重叠在一起，检测之前要把它们分开，而在挥发性混合气体中，要识别各种成分非常困难。目前大部分传感器是让混合气体依次通过两个试管（仪器信息网注：这里可能是指色谱微柱），第一个试管内涂有一层聚合物，会减缓较重分子速度，大致把各种气体按重量分开。 研究人员正在开发的传感器在分离各种化学成分方面更有效。让气体先通过第一个试管获得初步线索，然后用一个泵和压缩机从第一个试管中收集气体，间隔规律地送入第二个试管中，进行第二道检测。第二个试管内涂有一层极化聚合物，一端带正电另一端带负电，会减慢那些被极化了的气体分子的速度，未极化的分子能以更快速度通过。根据这些信息，研究人员就能识别出气体中的化学成分。再给这套系统加上一个决策装置并连接计算机，通过计算机能看到各种化学成分逐步分离的整个过程。 在决策装置引导下，一小团云完全通过后，压缩机才能再次运作，这种方法能让同一种分子聚集在一起，分析数据更容易。第二道检测过程还可以增加一个轮换试管，让气体更快通过，此时决策装置还充当&ldquo 接线员&rdquo ，当一个试管正&ldquo 忙&rdquo 时就把气体送入另一个试管。这样气体从第一个试管出来进入二道检测试管时就不会停顿。 二道检测试管还可以专门定做，用不同涂层做成各种长度的试管来分离特殊气体，比如一种专用分子&ldquo 热线&rdquo ，可以探测某些特殊分子。范旭东说：&ldquo 如果怀疑某地有化学武器泄露，我们就送一批这种专用分子&lsquo 热线&rsquo 过去，能极灵敏地识别出这些成分。&rdquo 目前，研究小组已经证明了新装置能在两个检测试管之间分配气体，智能传感器能识别包含20种不同成分的化学气体，以及植物释放的混合物成分。 无论是探查爆炸物、化学武器，还是监测矿井安全，对于化学气体检测仪器而言，最重要的一条就是灵敏度。如果不能迅速准确地检查出目标物，即使是再尖端的技术也可以说意义不大。本文介绍的这套仪器一方面能使不同分子尽可能分开并分别聚集，另一方面通过轮换试管和定做试管的方式使检测过程更加高效和具有针对性，这些都是强化灵敏度的关键因素。与此同时，这种仪器似乎并不复杂，也大大提高了它作为实用技术进行推广的可能性。

p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 近日，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光子实验室的于伟利与罗切斯特大学郭春雷研究团队合作，针对基于钙钛矿多晶薄膜的光电探测器性能易受晶界和晶粒缺陷的影响问题，采用空间限域反温度结晶方法，合成了具有极低表面缺陷密度的MAPbBr3薄单晶，并将该高质量的薄单晶与高载流子迁移率的单层石墨烯结合，制备出了高效的垂直结构光电探测器。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 近几十年来，光电探测器受到学术界和工业界的广泛关注，并被广泛应用到光通信、环境监测、生物检测、图像传感、空间探测等领域。甲基铵卤化铅钙钛矿（CH3NH3PbX3, X=Cl,Br,I）是近年来兴起的一种钙钛矿材料，因其具有直接带隙、宽光谱响应、高吸收系数、高载流子迁移率、长载流子扩散系数等优点，逐渐成为制备光电探测器的前沿热点材料。目前，基于钙钛矿多晶薄膜的光电探测器性能距预期仍有一定距离，一个主要原因在于载流子在界面的传输易受晶界和晶粒缺陷的影响。许多研究组尝试将钙钛矿多晶薄膜与高迁移率二维材料相结合来提高器件的性能，并取得了一定的效果，但钙钛矿多晶晶界带来的负面影响尚未解决。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 该研究团队利用空间限域反温度结晶方法生长出的MAPbBr3薄单晶具有亚纳米表面粗糙度且没有明显的晶粒界畴，可以结合高质量钙钛矿单晶合成技术和单层石墨烯转移技术制备高性能的垂直结构光探测器。所制备的垂直结构光电探测器在室温下具有较高的光电探测率(~& nbsp 2.02× 1013& nbsp Jones)；在532 nm激光照射下，与纯钙钛矿MAPbBr3单晶薄膜的光电探测器相比，钙钛矿-石墨烯复合垂直结构光电探测器的光电性能（光响应度、光探测率和光电导增益）提高了近一个数量级。载流子超快动力学研究证明，该器件性能的提高主要归因于高质量钙钛矿单晶的钙钛矿载流子寿命增长和石墨烯对自由电荷的有效提取及传输。相关结果已发表在Small（DOI: 10.1002/smll.202000733）上。& nbsp 　　& nbsp & nbsp /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 该研究将钙钛矿单晶材料和二维材料石墨烯有效结合在一起，利用二者在载流子产生、输运方面的协同优势，实现了器件性能的提升，展现了器件结构及能带设计对器件性能的调控能力，为制备高性能钙钛矿光电探测器提供了新思路。 /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " img style=" max-width:100% max-height:100% " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/202007/uepic/48f51961-fad3-4042-8faa-7cbd8255f9d8.jpg" title=" 高灵敏度钙钛矿单晶-石墨烯复合垂直结构光电探测器.jpg" alt=" 高灵敏度钙钛矿单晶-石墨烯复合垂直结构光电探测器.jpg" / /p p style=" text-indent: 0em text-align: center " strong 高灵敏度钙钛矿单晶-石墨烯复合垂直结构光电探测器 /strong /p p br/ /p

据美国科学促进会网站5月2日(北京时间)报道，美国密歇根大学研究人员正在开发一种便携式可调节的二维微型气体色谱仪，能识别并检测化学气体成分，更加灵敏智能，可用于探测爆炸物、化学武器挥发气体，还能通过病人的呼吸诊断病情，侦查矿井是否安全等。仪器也非常节能，对矿井作业和偏僻地区医疗室具有很大优势。相关论文近日发表在《分析化学》杂志上。 　　该校生物医学工程系教授范旭东(音译)解释说，挥发气体中的各种成分就像一团团微小的云重叠在一起，检测之前要把它们分开，而在挥发性混合气体中，要识别各种成分非常困难。目前大部分传感器是让混合气体依次通过两个试管，第一个试管内涂有一层聚合物，会减缓较重分子速度，大致把各种气体按重量分开。 　　研究人员正在开发的传感器在分离各种化学成分方面更有效。让气体先通过第一个试管获得初步线索，然后用一个泵和压缩机从第一个试管中收集气体，间隔规律地送入第二个试管中，进行第二道检测。第二个试管内涂有一层极化聚合物，一端带正电另一端带负电，会减慢那些被极化了的气体分子的速度，未极化的分子能以更快速度通过。根据这些信息，研究人员就能识别出气体中的化学成分。再给这套系统加上一个决策装置并连接计算机，通过计算机能看到各种化学成分逐步分离的整个过程。 　　在决策装置引导下，一小团云完全通过后，压缩机才能再次运作，这种方法能让同一种分子聚集在一起，分析数据更容易。第二道检测过程还可以增加一个轮换试管，让气体更快通过，此时决策装置还充当“接线员”，当一个试管正“忙”时就把气体送入另一个试管。这样气体从第一个试管出来进入二道检测试管时就不会停顿。 　　二道检测试管还可以专门定做，用不同涂层做成各种长度的试管来分离特殊气体，比如一种专用分子“热线”，可以探测某些特殊分子。范旭东说：“如果怀疑某地有化学武器泄露，我们就送一批这种专用分子‘热线’过去，能极灵敏地识别出这些成分。” 　　目前，研究小组已经证明了新装置能在两个检测试管之间分配气体，智能传感器能识别包含20种不同成分的化学气体，以及植物释放的混合物成分。

中国科学院沈阳自动化研究所（以下简称沈阳自动化所）太赫兹团队近日在红外探测领域取得了关键技术突破，实现了基于硒镓钡晶体的3~8微米中红外高灵敏探测，对纳秒脉冲的探测灵敏度指标达到国际先进水平，且实现系统的国产化。相关成果发表于《光学》。　　当前，中红外探测主要采用热探测和光电探测两种直接探测手段，现有性能已难以满足科学家对微量物质精准检测的需求，探测灵敏度已成为中红外系统的瓶颈问题。为此，太赫兹团队提出基于激光频率变换技术的解决方案，设计并搭建了实验系统。其工作原理是将弱中红外信号高效率地转换为近红外信号，该近红外光携带了中红外光的信息且易于探测，通过这种间接探测的方式大幅提高中红外信号的探测灵敏度。　　经过深入分析研究多种晶体的光学特性，太赫兹团队将目标锁定在硒镓钡晶体。该晶体由论文作者之一、中国科学院理化技术研究所研究员姚吉勇带领团队研制。“硒镓钡晶体通常是作为波源使用，我们大胆尝试，将它作为探测系统的一部分，在掌握其光学特性的基础上设计了高性能光参量振荡器，优化了相位匹配条件，解决了弱信号环境下的强背景噪声抑制等问题，实现了收发一体的中红外系统。”太赫兹团队负责人、沈阳自动化所研究员祁峰说。　　团队通过对纳秒级脉冲的实验测试表明，该系统目前可达到的探测灵敏度优于碲镉汞探测器100倍，实现了飞焦级纳秒脉冲的有效探测；系统的动态范围超过110 分贝，在宽频范围内的均匀响应可达到1.4个倍频程。上述两指标均优于传统的直接探测系统。　　太赫兹团队来自中国科学院光电信息处理重点实验室。该实验室主任、沈阳自动化所所长史泽林表示，“实验室始终面向实际需求开展光电探测研究，探索新机理和新方法，该研究就比较典型。如果灵敏度取得数量级的提升，可能给生物、医疗和化工等领域带来新的科学研究手段，让原来办不到的事情变得可能。”　　相关论文信息：https://doi.org/10.1364/OPTICA.442772

记者从中国科学院沈阳自动化研究所（以下简称沈阳自动化所）获悉，该所太赫兹研究团队在红外探测领域取得关键技术突破，实现了基于硒镓钡晶体的3—8微米中红外高灵敏探测，对纳秒脉冲的探测灵敏度指标达到国际先进水平。这项技术将为我国在生物、医疗、化工等领域开展前沿科学研究提供强有力的探测工具。相关成果于1月20日刊发在《光学》上。　　相对于传统的可见光近红外波段，中红外光与分子之间的共振现象可大幅度提高光谱测量的信噪比，进而实现对物质成分的有效识别。中红外探测技术对于推动生命科学、物性分析等科学探索，以及环保、化工行业、医学诊断等实际应用具有重要意义。当前的中红外探测主要采用热探测和光电探测两种直接探测手段，难以满足科学家们对微量物质的精准检测的需求，探测灵敏度已成为中红外系统的瓶颈问题。　　针对当前中红外探测的瓶颈问题，研究团队提出了基于激光频率变换技术的解决方案，设计并搭建了实验系统。研究团队负责人、沈阳自动化所研究员祁峰介绍，该方案的工作原理是将弱中红外信号高效率地转换为近红外信号，近红外光携带了中红外光的信息且易于探测，通过这种间接探测的方式可大幅度提高中红外信号的探测灵敏度。　　经过深入分析研究多种晶体的光学特性，科研团队将目标锁定在硒镓钡晶体，该晶体由中国科学院理化技术研究所姚吉勇团队研制。祁峰介绍，硒镓钡晶体通常是作为波源使用，研究人员大胆尝试，将它作为探测系统的一部分，在掌握其光学特性的基础上设计了高性能光参量振荡器，优化了相位匹配条件，解决了弱信号环境下的强背景噪声抑制等问题，从而实现了收发一体的中红外系统。

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。

射频微波探测器是微波系统中的重要电子器件，在通讯、雷达、导航、遥感、电子工业、医疗、科学研究等方面具有广泛应用。近年来，随着通信技术的迅速发展，对未来微波探测器提出了更高的需求，如对微弱信号(μ W以下)的高灵敏度检测，以及功耗低和易于小型化、集成化。利用电子自旋特性而不是电子电荷属性来构建微波探测器，有望解决上述挑战。　　近期，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所曾中明团队与国内外科学家合作在基于电子自旋特性的微波探测器件研究方面取得了新的进展。他们利用薄膜制备技术精确控制纳米磁性薄膜的界面特性，巧妙地在“磁性自由层/隔离层/磁性固定层”三明治纳米结构中使自由层的磁矩垂直于薄膜平面，而固定层的磁矩平行于薄膜平面(图a)。由于两磁性层的磁矩成近90度排列，极大地提高了自旋注入效率。该结构具有优异的微波探测性能：在1 nW的微弱信号作用下，其探测灵敏度高达75,400 mVmW-1，是半导体Schottky 二极管探测器探测极限的20倍。同时，该器件体积是半导体微波探测器的1/50，易于集成。此外，该器件可在零磁场下工作，消除了对外加磁场的依赖，简化了器件结构，降低了功耗。该研究结果为设计新型高灵敏的纳米微波器件提供了重要指导。相关研究成果发表在近期Nature Communications上(Nature Communications，2016, 7: 11259)。　　该研究工作得到了科技部重大仪器专项和国家自然科学基金资助。

近日，大连化物所二维热电材料研究组(DNL2104组)陆晓伟副研究员、姜鹏研究员、包信和院士团队在高灵敏、低功耗人体红外热辐射探测器研制及其在非接触人机交互系统中的应用方面取得新进展。 　　人体自发热辐射主要位于长波红外(8至14μm)波段，呈现出光子能量低(~0.1 eV)、光强弱(~5 mw/cm2)等特点。实现人体红外热辐射的高灵敏探测，对构建低功耗、非接触人机交互系统具有重要意义。作为一种热敏型探测器，光热电探测器是基于光热转换、热电转换两个能量转换过程，具有光谱响应范围宽、无需制冷、功耗低等优点。目前，商业的光热电探测器通常采用分立式的热电堆结构，需要复杂的MEMS微机械加工制备工艺，且在探测人体热辐射时，其输出电压相对较小(数十至数百微伏)，需要额外的高信噪比信号采集电路。 本工作中，该研究团队突破传统热电堆材料和构架的限制，构建了基于SrTiO3-x/CuNi异质界面结构的一体式热电堆。该异质界面结构一方面将SrTiO3-x高的Seebeck系数(-737μV/K)与CuNi高的电导率(5×105S/m)协同耦合，在降低器件内阻的同时，可保持高的电压输出；另一方面，通过结合声子共振吸收和自由载流子吸收，该异质结展现出优异的吸光能力，其在长波红外波段的吸光率最高可达98%。结合这些优势，基于SrTiO3-x/CuNi的热电堆在探测人体辐射时展现出高灵敏度、低噪音、高稳定性等特征，其输出电压最高可达13mV，相比商业热电堆有数量级的提升。通过进一步构建热电堆阵列，团队还实现了实时手势识别、非接触式数字/字母输入等功能。该研究为开发低功耗非接触人机交互系统提供了新思路，在人工智能技术、公共卫生安全领域具有广阔的实际应用价值。 　　相关研究成果以“SrTiO3/CuNi Heterostructure-based Thermopile for Sensitive Human Radiation Detection and Noncontact Human-machine Interaction”为题，发表在《先进材料》(AdvancedMaterials)上。上述工作得到国家自然科学基金、中国科学院创新交叉团队、我所创新基金等项目的资助。

近日，大连化物所二维热电材料研究组（DNL2104组）陆晓伟副研究员、姜鹏研究员、包信和院士团队在高灵敏、低功耗人体红外热辐射探测器研制及其在非接触人机交互系统中的应用方面取得新进展。人体自发热辐射主要位于长波红外（8至14 μm）波段，呈现出光子能量低（~0.1 eV）、光强弱（~5 mw/cm2）等特点。实现人体红外热辐射的高灵敏探测，对构建低功耗、非接触人机交互系统具有重要意义。作为一种热敏型探测器，光热电探测器是基于光热转换、热电转换两个能量转换过程，具有光谱响应范围宽、无需制冷、功耗低等优点。目前，商业的光热电探测器通常采用分立式的热电堆结构，需要复杂的MEMS微机械加工制备工艺，且在探测人体热辐射时，其输出电压相对较小（数十至数百微伏），需要额外的高信噪比信号采集电路。本工作中，该研究团队突破传统热电堆材料和构架的限制，构建了基于SrTiO3-x/CuNi异质界面结构的一体式热电堆。该异质界面结构一方面将SrTiO3-x高的Seebeck系数（-737 μV/K）与CuNi高的电导率（5×105 S/m）协同耦合，在降低器件内阻的同时，可保持高的电压输出；另一方面，通过结合声子共振吸收和自由载流子吸收，该异质结展现出优异的吸光能力，其在长波红外波段的吸光率最高可达98%。结合这些优势，基于SrTiO3-x/CuNi的热电堆在探测人体辐射时展现出高灵敏度、低噪音、高稳定性等特征，其输出电压最高可达13 mV，相比商业热电堆有数量级的提升。通过进一步构建热电堆阵列，团队还实现了实时手势识别、非接触式数字/字母输入等功能。该研究为开发低功耗非接触人机交互系统提供了新思路，在人工智能技术、公共卫生安全领域具有广阔的实际应用价值。相关研究成果以“SrTiO3/CuNi Heterostructure-based Thermopile for Sensitive Human Radiation Detection and Noncontact Human-machine Interaction”为题，发表在《先进材料》（Advanced Materials）上。上述工作得到国家自然科学基金、中国科学院创新交叉团队、大连化物所创新基金等项目的资助。

1月25日，记者从中国科学院沈阳自动化研究所获悉，该所太赫兹团队在红外探测领域取得关键技术突破，实现了基于硒镓钡晶体的3-8微米中红外高灵敏探测，对纳秒脉冲的探测灵敏度指标达到国际先进水平。该技术将为我国在生物、医疗、化工等领域开展前沿科学研究提供强有力的探测工具，相关成果日前在国际学术期刊《光学》发表。相对于传统的可见光近红外波段，中红外光与分子之间的共振现象可大幅度提高光谱测量的信噪比，进而实现对物质成分的有效识别。中红外探测技术对于推动生命科学、物性分析等科学探索，以及环保、化工行业、医学诊断等实际应用具有重要意义。当前的中红外探测主要采用热探测和光电探测两种直接探测手段，现有性能已难以满足科学家们对微量物质的精准检测的需求，探测灵敏度已成为中红外系统的瓶颈问题。团队负责人、沈阳自动化所祁峰研究员介绍称，针对当前中红外探测的瓶颈问题，我们提出了基于激光频率变换技术的解决方案，设计并搭建了实验系统。其工作原理是将弱中红外信号高效率地转换为近红外信号，该近红外光携带了中红外光的信息且易于探测，通过这种间接探测的方式大幅度提高中红外信号的探测灵敏度。

4月30日，国际著名科学期刊《自然-通讯》(Nature Communications)发布了一种新型的光微流激光酶联免疫吸附剂测定(Enzyme-linked immunosorbent assay，简称ELISA)技术。该技术由密歇根大学安娜堡分校生物医学工程系范旭东教授课题组与复旦大学信息学院光科学与工程系吴翔副教授共同开发。据悉，该项新技术将有望应用于重大疾病(如癌症、艾滋病等)的早期检测与诊断以及单个酶分子催化机制研究。 　　一般来讲，传统的ELISA技术利用被酶催化生成的荧光产物所发出的荧光强度作为探测信号，然而在实际检测过程中，生物分子的非特异性结合、材料自荧光以及激发光的泄漏等因素造成的强荧光背景会干扰目标分子荧光强度的探测，从而限制了ELISA的探测极限以及动态测量范围。 　　而吴翔及其合作者开发的新型光微流激光ELISA技术的创新之处在于，以荧光产物为激光增益介质，利用高品质因子的光学微腔产生激光输出 在固定的泵浦功率下，产生激光的阈值时间和被测目标分子的浓度呈反比，不同的浓度对应不同的阈值时间，由此，将阈值时间作为该技术中的探测信号。 　　实验表明，该项技术的探测极限可达1fg/ml(38aM)(1飞克每毫升)，动态测量范围为6个数量级。这种新型的光微流激光ELISA技术，通过对激光阈值时间的探测，可以从较强的荧光背景中精确地分辨低浓度的目标分子，从而实现超高灵敏度的生物分子探测。该技术的应用，将对重大疾病(癌症、艾滋病等)的早期检测与诊断技术带来重要提升，同时对单个酶分子催化机制研究领域产生积极影响。 　　目前，吴翔正从事有源和无源光学微腔生物传感器以及微腔光镊的研究，希望能结合光微流激光技术的优点，进一步拓展光学微腔技术在生物传感领域的应用，实现高灵敏度和高通量的集成光学生物传感芯片。

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高灵敏度、小型化的超声探测器在诸多方面发挥着重要应用，例如医学诊断、光声成像、无损检测等。目前，商用的超声波探测器主要采用压电换能器，但为了实现较高的灵敏度，往往需要较大的尺寸，其传感器的典型尺寸一般为毫米到厘米。近些年来，随着微纳光电技术的发展，在硅芯片上微加工制备得到的光学超声波探测器可同时实现较高的灵敏度和空间分辨率。其中，微腔光力系统由于其高灵敏度、宽带宽、低功耗和易于集成等优越特性，从而引起越来越多的关注。由于微腔光力系统中的较强的光力相互作用，微腔的机械位移可以通过光学共振信号来敏感读出。由于机械共振增强了响应，且光学共振可增强读出灵敏度，因此微腔光力系统已被证实是位移、质量、力、加速度、磁场和声波等物理量的高灵敏探测的理想平台。前期工作中，研究人员已在各种体系的光学微腔中实现超声波/声波的探测，例如二氧化硅微腔、聚合物微腔、硅微腔等。多数超声波探测是在液体环境中实现的。而在空气环境中，由于超声波吸收损耗大，且声源/空气界面处的阻抗失配大，高灵敏度的超声波探测依然较为挑战。前期工作中，空气耦合的超声波探测只在1 MHz以下频段实现。空气耦合的超声波探测在一些特定场景中具有重要应用，例如气体光声光谱和非接触式超声医学成像等。为了提高空气耦合的超声波探测灵敏度，并拓展探测频率范围，最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心的博士生杨昊、胡志刚等人在李贝贝副研究员的指导下，使用微芯圆环腔演示了在MHz频率范围内的空气耦合高灵敏度超声波探测。在这项工作中，他们通过光刻、氢氟酸腐蚀、氟化氙刻蚀、二氧化碳激光回流的微加工工艺，制备了带有较细的硅基座的微芯圆环腔，从而减少来自衬底的机械运动的约束，获得了在2.56 MHz的一阶拍动模式下约700的高机械品质因子，同时光学品质因子达到107以上。凭借较高的光学和机械品质因子，以及与超声波具有较大空间重叠的2.56 MHz的一阶拍动模式，他们在机械模式附近0.6 MHz的频率范围内实现了仅受热噪声限制的灵敏度，在0.25-3.2 MHz的频率范围内实现了46 μPa/Hz1/2-10 mPa/Hz1/2的灵敏度。此外，他们在机械共振频率下利用超声波驱动传感器时观察到了二阶和三阶机械边带，通过测量不同超声波压强(P )下的信噪比(SNR)，发现一阶、二阶和三阶机械边带的分别与P、P2和P3大致成正比，三个机械边带上的测量强度与理论结果一致。这种非线性转换提供了一种扩展位移传感动态范围的方法。本项研究演示了一种基于微芯圆环腔的空气耦合高灵敏度 MHz频段超声波探测方案，实现了宽带、高灵敏度超声检测，这项工作拓宽了使用微腔光力系统进行空气耦合的超声波探测的频率范围，并获得了较大频率范围的热噪声主导区域。相关研究成果以“High-Sensitivity Air-Coupled Megahertz-Frequency Ultrasound Detection Using On-Chip Microcavities”为题于2022年9月14日在Physical Review Applied上发表。第一作者为博士生杨昊，通讯作者为李贝贝副研究员。上述研究工作得到了国家重点研发计划（2021YFA1400700）、国家自然科学基金委项目（91950118，12174438，11934019）和中国科学院基础前沿科学研究计划（ZDBS-LY-JSC003）的大力支持。文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.18.034035 图1 (a) 微芯圆环腔的光学显微镜图。(b) 模拟的回音壁模式的基模光场分布。(c) 1550 nm附近微腔的透过率谱。(d) 超声波探测实验装置的示意图。图2 (a) 微腔超声波探测器的噪声功率谱（黑色实线）与在2.56 MHz频率处施加了超声波信号的响应谱（绿色实线），虚线为计算得到的理论噪声。(b) 微腔超声波探测器的系统响应，即微腔对不同频率的超声波的响应。(c) 微腔超声波探测器的压强（左轴）和力（右轴）灵敏度谱。图3 (a) 施加单频超声波后不同阶机械边带的响应。(b) 一阶、二阶、三阶机械边带的与超声波压强的关系。

中新社上海2月16日电 上海交大和二滩水电开发有限公司16日签署合作协议，双方将致力于探测暗物质研究。 　　上海交大校长张杰透露，在四川锦屏地下实验室，液氙暗物质探测装置将很快开始建设，预计今年下半年可建成并投入运行。 　　在宇宙学中，所谓“暗物质”是指那些“看不见摸不着”，不发射任何光及电磁辐射的物质。地球引力效应显示宇宙中应有大量暗物质存在，探测暗物质是当今物理学界的世界性前沿问题。 　　据介绍，四川锦屏地下实验室深达2400米，是目前世界上岩石覆盖最深的地下实验室，由清华大学与二滩公司合建，主要用于探测研究暗物质。由上海交大牵头组织、中美6家研究机构参与的大型暗物质研究项目PandaX将在该实验室展开，该项目的最终目标是建成吨量级液氙暗物质探测装置，对暗物质进行最灵敏的探测和对其本质进行研究。首期25公斤级实验今年下半年开始运行，二期200公斤级实验预计明年开始运行。 　　根据协议，上海交通大学和二滩公司将发挥二滩水电的产业、环境、资金优势和上海交大人才、科研和多学科交叉优势，共同推进自主创新，促进产学研结合，加速科技成果向现实生产力转化。

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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

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。

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近日，大连化物所二维热电材料研究组（DNL2104组）陆晓伟副研究员、姜鹏研究员、包信和院士团队在高灵敏、低功耗人体红外热辐射探测器研制及其在非接触人机交互系统中的应用方面取得新进展。人体自发热辐射主要位于长波红外（8至14 μm）波段，呈现出光子能量低（~0.1 eV）、光强弱（~5 mw/cm2）等特点。实现人体红外热辐射的高灵敏探测，对构建低功耗、非接触人机交互系统具有重要意义。作为一种热敏型探测器，光热电探测器是基于光热转换、热电转换两个能量转换过程，具有光谱响应范围宽、无需制冷、功耗低等优点。目前，商业的光热电探测器通常采用分立式的热电堆结构，需要复杂的MEMS微机械加工制备工艺，且在探测人体热辐射时，其输出电压相对较小（数十至数百微伏），需要额外的高信噪比信号采集电路。本工作中，该研究团队突破传统热电堆材料和构架的限制，构建了基于SrTiO3-x/CuNi异质界面结构的一体式热电堆。该异质界面结构一方面将SrTiO3-x高的Seebeck系数（-737 μV/K）与CuNi高的电导率（5×105 S/m）协同耦合，在降低器件内阻的同时，可保持高的电压输出；另一方面，通过结合声子共振吸收和自由载流子吸收，该异质结展现出优异的吸光能力，其在长波红外波段的吸光率最高可达98%。结合这些优势，基于SrTiO3-x/CuNi的热电堆在探测人体辐射时展现出高灵敏度、低噪音、高稳定性等特征，其输出电压最高可达13 mV，相比商业热电堆有数量级的提升。通过进一步构建热电堆阵列，团队还实现了实时手势识别、非接触式数字/字母输入等功能。该研究为开发低功耗非接触人机交互系统提供了新思路，在人工智能技术、公共卫生安全领域具有广阔的实际应用价值。相关研究成果以“SrTiO3/CuNi Heterostructure-based Thermopile for Sensitive Human Radiation Detection and Noncontact Human-machine Interaction”为题，发表在《先进材料》（Advanced Materials）上。上述工作得到国家自然科学基金、中国科学院创新交叉团队、大连化物所创新基金等项目的资助。文章链接：https://doi.org/10.100 2 /adma.202204355

FLIR VOCs红外热像仪（光学气体成像热像仪）已在石油天然气、石化和相关行业中使用多年。众所周知，大部分化合物和气体是肉眼看不见的。然而，许多公司在其生产过程中会大量使用这些物质。实地检测挥发性气体化合物的泄漏可能很危险，因此使用光学气体红外热像仪就变得很有必要。由于是在潜在的危险区域运行，因此安全对维护工程师至关重要。借助VOCs红外热像仪，检测人员可以进行快速的非接触式测量，甚至可以检测几米外的微小泄漏和数百米外的大泄漏。更具体地说，他们可以从安全区域或几乎没有危险分类的区域查看位于受限危险区域的泄漏。全球范围内广受好评世界各国政府都在接受FLIR OGI热像仪的使用，并在专门的法规中采用了这些热像仪。在美国，环境保护局（EPA）于2011年1月在其子部分W法规中规定了光学成像热像仪的使用。在欧洲，该技术被纳入石油和天然气精炼行业最佳可用技术参考（BREF）文件的最终草案，并作为工业排放75/320/EU（IED）新指令的一部分。这些法规建议的基础是由使用FLIR OGI热像仪的最终用户运营商和服务提供商公司提供的。下面就以FLIR GFx320本质安全型光学气体热像仪为例，详细述说一下选择FLIR VOCs红外热像仪的优势。FLIR GFx320体现了天然气井场、海上平台、液化天然气站等场所的散逸烃泄漏可视化方面的技术突破。该产品已被批准用于危险场所，使测量人员能够在保证安全的情况下放心地工作。选择气体泄漏检测工具的标准从安全距离观察泄漏需要专用技术。在为此类应用选择OGI热像仪时，两个主要标准很重要。首先，需要考虑探测器的性能和调谐的可能性。其次，热像仪需要具有适当的灵敏度和相关的灵敏度增强功能。以下讨论用于说明FLIR G系列VOCs红外热像仪如何满足这两个标准。探测器FLIR GFx320是一款制冷型OGI热像仪，其配备的锑化铟（InSb）探测器是光电探测器，当暴露于红外辐射时会产生电流。这款高灵敏度探测器用于FLIR GFx320红外热像仪，可在3.2-3.4微米波段内观察气体。它不仅能使气体显现，而且会使最小的温差清晰可见。FLIR开发的InSb探测器比大多其他低温冷却探测器应用得更广泛。InSb探测器可观察 3.2–3.4 μm 波段内的气体气体检测热像仪中使用的探测器是需要冷却到非常低温度的量子探测器。光谱调谐或冷滤波技术对光学气体成像热像仪至关重要。冷滤波通过消除不需要的波长区域的背景辐射，显著提高了检测能力。对于许多气体来说，吸收红外辐射的能力取决于辐射的波长。冷滤光片让FLIR热像仪仅在VOCs具有非常高吸收尖峰的波长下工作，从而增强气体的可见性。冷滤光片让FLIR热像仪仅在VOC具有非常高吸收尖峰的波长下工作，从而增强气体的可见性。FLIR GFx320可以应用优化的积分时间，特别是在室温及以下温度。因此，与使用带有热过滤器的相同探测器相比，它可以显示更小的细节，并检测更低的气体浓度，它还提供了更稳定的辐射测量和更高的精度。辐射测量或热成像（使用红外热像仪进行非接触式温度测量）对于OGI技术也至关重要，因为这将帮助用户确定VOCs气体吸收的背景辐射温度。高灵敏度模式全新FLIR G系列VOCs红外热像仪中均配备一种名为高灵敏度模式（HSM）的成熟技术，该技术是检测最小泄漏的基石。这是FLIR OGI热像仪中的一项功能，即使不使用三脚架也可以检测气体，并显着提高灵敏度。因此，与“正常”红外模式相比，用户可以从更远的距离看到更小的泄漏。正常模式高灵敏度模式HSM 模式下泵的气体泄漏更明显高灵敏度模式（HSM）是一种获得专有的图像相减视频处理技术，可增强热像仪的热灵敏度。HSM功能从后续帧的视频流帧中减去一定百分比的单像素信号（增强了帧之间的差异），使泄漏在最终图像上更清晰突出地显示出来。使用HSM，用户可以控制应用于视频流的补偿量，从而控制热灵敏度的增加程度。例如，在下面的动图中，当热像仪切换到HSM时，洗手液散发出的蒸汽变得更加明显：设置适当的温度范围和水平（中点）对于获得所需的光学气体成像结果至关重要。范围较宽将提供较少的图像细节；更窄、更精细的范围将提供更多细节。由于FLIR GFx320是一款经过校准的辐射测量热像仪，因此它具有这些最基本的功能。事实上，HSM模式使用户能够搜索气体，而无需在缩小范围之前设置图像的级别。由于将液位设置为背景温度是一个复杂的过程，而且不可能一次处理多个背景，HSM模式让维护工程师或操作员节省大量时间，并使他们更容易、更快地搜索小泄漏。全新FLIR VOCs红外热像仪FLIR GFx320红外热像仪的两大特点使其成为在更远、更安全的距离检测较小VOCs泄漏的理想选择。当然全新FLIR G系列VOCs红外热像仪中，还有很多其他型号可选。作为气体泄漏检测工具中的佼佼者，FLIR G620、GFx320和Gx620三个型号可用于检测和准确量化油气行业中的碳氢化合物、易挥发气体和其他挥发性有机化合物 (VOCs) 排放情况。热像仪集成了量化功能，用户可将排放测量功能无缝融合到日常泄漏检测和维修工作流程当中，因此开展检测工作时无需另外携带一台辅助设备。此外，全新FLIR G系列VOCs红外热像仪通过了ATEX认证，其灵敏度符合OOOOa标准，同时还配备了旋转式人体工学触摸屏，确保专业人员能更安全、更高效地完成工作。FLIR G系列VOCs红外热像仪凭借专业的技术和贴心的设计在全球范围内获得了广大用户的认可

p 　　在各种超高灵敏度的光谱探测技术中，基于无源谐振腔增强的技术是重要的一类，而谐振腔增强的光谱探测技术又可以分为传统腔衰荡光谱、积分腔输出光谱、腔增强吸收光谱、频率调制光源腔衰荡光谱、光频梳腔衰荡光谱等五类。这些传统技术存在着光电探测难度高、装置价格昂贵、响应速度慢、灵敏度低等缺点。 /p p 　　中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态室王允韬、阮驰等科研人员发明了一种频域腔衰荡光谱探测装置，可以应用于实验室的光谱测定和标准具的精细常数测定，以及现场应用的物质浓度传感、应变及应力传感、温度传感等。 /p p 　　与传统方法相比，此项发明的优点是：1、利用低速波长调制实现了具有信噪比优势的高频谐波探测。2、在实现谐振腔增强光谱与波长调制光谱完美结合的同时降低了经济成本。3、结合波长调制光谱，消除了光路耦合效率下降、光源平均功率波动、探测电路转换效率下降等背景干扰的影响。4、由于谐振腔精细度下降产生的干扰与光谱吸收产生的信号之间是一个相乘的关系，通过取对数或者计算各次谐波之间的比值，消除了谐振腔精细度下降造成的干扰。 /p p 　　该装置已获国家发明专利授权，并获2016年度中国公路学会科学技术奖二等奖。 /p p /p

p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201704/insimg/18580eb5-c78e-4baa-a5ae-f6bc8e181e94.jpg" title=" 149034298047758_meitu_5.jpg" / /p p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 对界面上电荷传输信息的精准获取，是深入认识生命活动与光电能量转化过程的基础，可应用在超灵敏光电生物传感器的构建和敏化太阳能电池光电转化效率的提高等方面。 /p p 　　刚刚获得2016年度上海市自然科学一等奖的“功能化界面电荷传输过程中的电分析化学基础研究及其应用”项目，所研究的正是这一领域。 /p p 　　针对界面光电分析化学基础研究中存在的关键问题与挑战，华东理工大学龙亿涛、花建丽、应佚伦、马巍、武文俊等老师，经过10年的努力，取得了多项成果：在研制界面光电分析装置上，通过设计与制备结构可控的光电分子，聚焦功能化动态界面电荷传输过程，发展了高时空分辨的“电化学—纳米光谱”单纳米粒子动态界面传感新方法，应用于纳米粒子界面电荷传输的动态、原位、实时、高通量分析 提出纳米孔道电化学限域效应，建立纳米孔道单分子界面分析技术，实现了对多尺度界面单分子动态结构研究，为功能化复杂界面电荷传输新机制的研究提供了新方法。 /p p 　　据介绍，该获奖团队目前正在以筹建中的“国际合作联合实验室”和“界面光电分析化学基础研究”创新研究群体项目为依托，通过构建新型功能化动态界面，对单分子水平和单颗粒水平上的电荷传输机制进行探索。 /p p br/ /p

华东师大精密光谱科学与技术国家重点实验室曾和平教授与黄坤研究员团队在中红外三维成像领域取得进展，发展了宽视场、超灵敏、高分辨的中红外上转换三维成像技术，获得了单光子成像灵敏度与飞秒光学门控精度，可为芯片无损检测、远程红外遥感和生物医学诊断等重要应用提供有力支撑，相关成果以“Mid-infrared single-photon 3D imaging”为题于2023年6月9日在线发表于Light: Science & Applications。华东师大为论文的第一完成单位，博士研究生方迦南为论文第一作者，曾和平教授和黄坤研究员为共同通讯作者。激光三维成像技术具有成像分辨率高、测量距离远、探测信息丰富等优点而被广泛应用于自动驾驶、卫星遥感、工业生产检测等众多领域。特别是，中红外波段位于分子指纹光谱区，涵盖多种官能团吸收峰，能够对三维目标进行化学特异性识别，在无损伤物质材料鉴定、无标记生物组织成像，以及非入侵医学病理诊断等领域备受关注。此外，该波段包含多个大气透射窗口，且相较于近红外光有更好穿透烟尘、雾霾的能力，在形貌测绘与遥感识别等方面具有独特优势。长期以来，如何实现趋近单光子水平的探测灵敏度都是中红外三维成像领域的国际研究热点，对于促进其在低光通量、光子稀疏的微光探测场景下的应用具有积极意义。然而，单光子水平的激光三维成像长期以来仅局限在可见光/近红外波段，主要制约因素在于中红外波段缺乏高探测灵敏度与高时间分辨率的光子探测与成像器件。近年来，随着红外器件工艺精进与新材料涌现，中红外探测器性能得到了长足发展，但依然面临着增强灵敏度、提升响应带宽、扩大像素规模、提高工作温度等亟待解决的难题。中红外三维测量可以采用光学相干层析、光热成像、光声成像等技术方案来实现，但往往需要逐点扫描，无法单次获取高性噪比的大面阵成像。因此，实现大视场、高分辨的中红外单光子三维成像仍颇具挑战。图3：中红外单光子三维成像装置图为此，华东师大研究团队发展了基于高精度非线性光学取样的中红外上转换测控技术，实现了超灵敏、高分辨、大视场的中红外三维成像，展示了单光子探测灵敏度、飞秒门控时间精度以及百万像素宽画幅。具体而言，研究人员采用非线性光学和频过程将信号波长高效转换至可见光波段，利用高性能硅基相机即可实现红外成像，从而规避了现有红外焦平面阵列灵敏度不足的技术瓶颈。同时，该上转换成像系统采用同步脉冲泵浦方案，可将背景噪声限制在极窄时间窗口内，结合精密频谱滤波可以有效提升探测信噪比，进而实现单光子水平的成像灵敏度。此外，研究人员沿用课题组此前发展的非线性广角成像技术[Nature Commun. 13, 1077 (2022)]，通过单次曝光即可获得大视场成像，免除了逐点机械扫描过程，大幅提升了成像速度。图4：中红外三维立体成像，被测信号强度约为1光子/像素/秒进一步，研究人员采用超快光学符合门控技术，精确测量中红外信号的相对飞行时间，从而得到被测物体表面的形貌信息。该时间飞行成像系统的时间分辨能力取决于光学脉冲宽度，可以达到飞秒水平的时间标记精度，通过高速延时扫描与宽场全幅采集，对被测场景进行快速时域切片，进而反演出目标界面的反射率、透射率以及材料的吸收率、折射率、色散量等丰富信息。图4展示了多角度中红外照明下三维数据信息融合重构出的被测目标立体形貌，其中被测信号强度约为1光子/像素/秒。图5：时空关联去噪算法，信号和噪声水平分别约为0.05和1000光子/像素/秒 在稀疏光子场景中，有效信号往往被淹没在严重的背景噪声中，仅从强度信息通常难以识别被测目标。为此，如何有效地区分信号和噪声光成为单光子成像的关键难点。为模拟极低照度、高噪声场景，该研究团队将红外信号衰减至0.05光子/像素/秒，对应的信噪比低至1:20000。如图5a-c所示，传统强度峰值识别算法并不能有效甄别信号。在主动成像中，成像系统接收的信号光子在时-空域上具有一定的连续性，而背景噪声光子则会随机分布在整个时间轴与空间像素点上。 基于该特性，研究人员发展了精确、高效和鲁棒的点云去噪算法，通过关联增强空间相邻像素与相邻时间帧的强度，有效提取与甄别信号光子，进而实现高背景噪声下的中红外单光子三维成像（图5d-i）。 所发展的中红外三维成像技术具备高灵敏与高分辨的独特优势，结合该波段优越的抗散射干扰能力，对于复杂环境下的红外场景恢复具有重要意义，可以发展出中红外散射成像与中红外非视域成像。此外，通过调谐中红外信号波长，可以实现四维高光谱成像，可为材料检测、无损探伤、生物成像等创新应用提供有力支撑。 近年来，曾和平教授与黄坤研究员课题组在红外单光子测控方面开展了系列创新研究，先后发展了中红外非线性广角成像 [Nature Commun. 13, 1077 (2022)]，中红外单光子单像素成像[Nature Commun. 14, 1073 (2023)]，以及高帧频中红外单光子光谱 [Laser Photonics Rev. 2300149 (2023)]等。相关工作得到了科技部、基金委、上海市、重庆市与华东师大的资助。