太赫茲量子關聯成像和量子點探測器發展現狀及計量技術展望

李宏光王元博廖文燾

（1.西安應用光學研究所，西安 710065；2.中國計量大學 光學與電子科技學院，杭州 310018）

1 引言

量子成像是融合量子技術和光學成像的非局域性成像技術，區別于對光信號強度和相位分布直接測量的傳統成像技術，量子成像技術基于信號源的量子漲落性質，通過提取關聯信息實現對目標的非局域成像。量子成像技術表現出諸如非局域性、超衍射極限分辨、光路擾動小等優勢，在近些年成為研究熱點。

太赫茲波展現出獨特的空間分辨率、穿透性和光譜指紋特性，在前沿科學、國防工業領域具有應用前景。傳統的太赫茲成像一般利用逐點掃描和焦平面成像的方式，受限于成像時間長、裝置復雜、制備難度大、成本高等。太赫茲量子關聯成像可以解決經典探測技術無法解決的難題［1-9］。另外，太赫茲探測的探測效率、暗計數率、動態范圍和死區時間等性能指標擴展對探測器提出了更高要求［10］。量子點探測器是一種具有極高靈敏度的光電探測器，得益于其研制成本、高信噪比以及遠高于熱探測的響應速度，在太赫茲系統中得到廣泛應用。通過太赫茲量子關聯成像、太赫茲量子點探測器理論及技術的最新發展綜述，提出了太赫茲量子關聯成像和太赫茲量子點探測器測量校準研究思路及設想，展望太赫茲量子技術發展方向。

2 太赫茲成像技術面臨的挑戰及量子化發展需求

太赫茲成像經典體系包括逐點掃描和實時陣列成像，逐點掃描成像利用單一收發端移動采集信息實現目標整體成像；實時陣列成像采用多個探測器聯合成像。其面臨諸多制約，主要表現在：

1）傳統太赫茲波成像的空間分辨率較差，難以突破毫米量級；

2）在霧霾天氣、云霧遮擋等惡劣環境下靈敏度低，作用距離近；

3）波長長、光學像質差、離焦；

4）高密度、高性能的焦平面探測器受限等。

因此，亟需開展新的成像技術以解決以上難題，太赫茲量子成像技術表現出傳統成像技術無法比擬的優勢，有望打破經典限制，逐步提升探測性能。

3 太赫茲量子關聯成像及量子點探測器發展現狀

3.1 太赫茲量子關聯成像技術

太赫茲成像技術在化學識別、探查隱匿的易燃、易爆危險品等方面有重要的應用。然而，太赫茲成像技術受限于Rayleigh 衍射極限，空間分辨率在mm 量級，難以突破μm 量級。2018 年，中科院提出利用單點探測器以關聯成像方式搭建太赫茲成像系統［11］，突破太赫茲空間分辨率極限實現二維成像。2019 年，中科院基于成像變換矩陣提出相干成像算法獲得模擬光場的關聯成像方式［12］，利用可見光相機拍攝調幅板花紋信息，突破了衍射極限分辨率。2021 年，瑟賽克斯大學［13］首次利用非線性二次變換成功提出太赫茲非線性相機，發射太赫茲輻射捕獲固態物體內部的高分辨特征，實現高光譜成像。中科院基于太赫茲量子級聯激光器和光譜匹配量子阱光電探測器提出成像分辨率達到0.5 mm 的透射成像系統［14］，證明了激光和光電探測器在成像技術的應用潛力。Khasanov 等人研究了量子關聯表面等離子共振顯微鏡［15］，利用自由電子激光輻射太赫茲波，提出一種經典量子關聯成像方法，可以忽視目標和相機之間的環境像差，顯著提高太赫茲表面等離子共振顯微鏡分辨率。2021 年，Leibov 等人通過頻域和時域建模［16］，研究隨機相位脈沖太赫茲輻射的量子關聯成像數學和計算模型，重構寬譜太赫茲脈沖量子關聯成像。Hagelschuer 等人提出量子級聯激光高光譜分辨率太赫茲成像［17］，同步快速實現太赫茲高分辨率光譜和高分辨率成像。kItaeva 等人利用二階場矩的廣義基爾霍夫定律方程［18］，研究在非線性介質中通過自發參數下轉換效應產生兩個極其不同頻率范圍（光學和太赫茲）的量子關聯效應。

3.1.1 基于超衍射的太赫茲量子關聯成像技術

2016 年，英國提出亞波長分辨率的非接觸近場太赫茲成像［19］。在硅片上投射光學圖案，該圖案在空間上調制太赫茲輻射同步脈沖的傳輸。成像原理如圖1 所示，未知目標被放置在硅片的隱藏側，每個掩模對應的遠場太赫茲透射率被探測器采集，實現了亞波長尺度的太赫茲波量子關聯成像。

圖1 太赫茲超衍射分辨成像示意框圖Fig.1 Block of terahertz super diffraction resolved imaging

3.1.2 時間分辨太赫茲脈沖量子關聯成像技術

2017 年，英國Stantchev 等人提出自適應和壓縮感知算法兼容的太赫茲成像技術［20］，太赫茲單像素成像原理如圖2 所示，設計可實現反常光學效應的超材料，利用一系列光學圖案激發6 μm 厚度硅片，對其進行空間調制，實現了λ/45 的超分辨率成像。

圖2 太赫茲近場單像素成像示意圖Fig.2 Diagram of terahertz near-field single pixel imaging

2018 年，英國Olivieri 等基于時間分辨的非線性關聯成像技術獲取目標的太赫茲光譜圖像［21］。首先，空間編碼的飛秒激光激發非線性晶體輻射太赫茲波，利用透射式時域光譜儀掃描時域信號，基于量子關聯計算時域關聯的太赫茲成像。

3.1.3 空間傅里葉譜的太赫茲量子關聯成像技術

2019 年，中科院提出空間傅里葉變換原理的太赫茲關聯成像技術［22］。太赫茲單像素成像原理如圖3 所示，首先，太赫茲波入射到硅基石墨烯上，空間光調制器對其調制，接著，探測器采集物體成像的空間傅里葉譜并通過逆傅里葉變換重構成像。該技術對成像目標的測量次數大幅縮減，極大地提高了成像效率。

圖3 太赫茲單像素成像系統示意圖Fig.3 Schematic diagram of terahertz single pixel imaging system

3.2 太赫茲量子點探測器

太赫茲也是電磁波的一種，類比光波光子，太赫茲光子由于吸收效應電子或準粒子會激發“人工原子”的量子態變化，太赫茲量子點探測器將其轉化為電信號，實現對太赫茲波的高靈敏探測。太赫茲量子探測器主要包括半導體量子點探測器（QDD）、超導量子電容探測器（QCD）、太赫茲量子阱探測器（THz QWP）和石墨烯量子點探測器等。

QDD 的靈敏度最高，單量子點QDD 的NEP 能夠達到10-22W／Hz1／2；QCD 的量子效率可以達到90%，NEP 小于10-20W／Hz1／2［23］；QWP 的靈敏度達到（10-11～10-12）W／Hz1／2，工藝簡單，使用壽命長，穩定性高［24］；石墨烯量子點太赫茲探測器具有體積小，效率高，響應速度快等優勢。

目前，太赫茲量子點探測器的各項性能可以通過不同調節方式提高，通過減小探測器敏感單元體積、提高薄膜質量和采用更低噪聲的放大器等方式可以提高探測器的靈敏度；通過優化耦合結構可以提高量子效率；通過優化探測器整體結構和讀出電路等方式可以提高動態范圍。

3.2.1 量子點太赫茲探測器

石墨烯量子點是在光學、電子學和熱學等領域具有優異性能的新型納米結構。石墨烯量子點探測器根據電流變化實現對單個光子探測，如圖4 所示，當光子進入石墨烯量子點時，電子-空穴對在晶格中形成電流。相較于傳統太赫茲探測器，石墨烯量子點探測器具有更高靈敏度、更低噪聲和更快響應速度，通過調節尺寸、石墨烯量子點的排列方式和能帶結構可以實現對不同頻段太赫茲波的探測［25，26］。

圖4 石墨烯量子點太赫茲量子點探測器結構圖Fig.4 Structure diagram of graphene quantum dot terahertz quantum dot detector

2022 年，麻省理工大學提出基于發光量子點間電荷轉移誘導太赫茲到可見光光子上轉換的室溫太赫茲相機［27］，探測器靈敏度優于現有的室溫太赫茲傳感器，如圖5 所示，“量子點”受到太赫茲波輻射，發射可見光，接著利用標準電子相機檢測器設備采集可見光，基于此制備了可以室溫運行的兩個設備，可以同時對太赫茲偏振態和場強成像。

圖5 太赫茲相機和偏振儀示意圖Fig.5 Schematic diagram of terahertz camera and polarimeter

3.2.2 QDD 太赫茲探測器

QDD 的“人工原子”為量子點，是納米級的半導體顆粒，QDD 需要同時滿足熱波動遠小于量子點中單個電子的電荷能、源極和漏極間的偏置電壓（VSD）很小和單個光子的能量要大于內核的能級差這3 個條件才能實現對太赫茲波的探測。如圖6（a）所示為量子點探測器的結構圖，量子中的電子能態受到垂直于平面的磁場作用時，分離為兩個朗道能級，外環為最低能級（L0），被電子完全占據；內核為第一激發態能級（L1），填充少數部分電子，內外在空間上分離，因此可以視為存在弱耦合的兩個量子點。量子點吸收太赫茲光子，此時外環出現空穴，內核出現一個電子，此時如圖6（b）所示的電導共振峰開始負向偏移，偏移量（Vg）與被吸收的光子數成正比，探測器通過Vg的變化量，即可實現對太赫茲波的探測。

圖6 量子點探測器結構及其電壓曲線圖Fig.6 Structure diagram and voltage curve of quantum dot detector

4 太赫茲量子關聯成像及太赫茲量子點探測器測量校準方法

4.1 太赫茲量子關聯成像測量校準方法

基于量子關聯測量方法的太赫茲源參數校準裝置組成如圖7（a）所示，由待校準太赫茲成像器件、標準太赫茲掩膜版、光子測量裝置、量子關聯測量裝置和計算機計算關聯系統組成，通過待測器件與標準太赫茲掩膜版的量子關聯測量實現校準。太赫茲量子測量校準系統如圖7（b）所示，太赫茲脈沖經過波片、波導以及濾波片，過濾后剩余泵浦光經過耦合透鏡聚焦到偏振分束器，信號光子和閑置光子被分成兩路光，隨后由探測裝置探測，通過關聯計算完成測量，經過量子成像處理系統分析實現光量子成像系統參數的校準。

圖7 太赫茲源量子關聯方法參數校準裝置圖Fig.7 Diagram of parameter calibration device for terahertz source quantum correlation methed

4.2 太赫茲量子點探測器測量校準方法

太赫茲量子點探測器校準方法如圖8 所示，太赫茲源發出的太赫茲波經分光鏡后分成A、B 兩路，凸透鏡1 對發散的太赫茲波A 進行準直，凸透鏡2將太赫茲波匯聚在標準的太赫茲子標準量子點探測器上，離軸拋物面鏡1 對發散的太赫茲波B 進行準直，離軸拋物面鏡2 將太赫茲波匯聚在太赫茲待測量子點探測器上，計算機將標準量子點探測器和待測量子點探測器的數據結果進行對比，從而實現校準。

圖8 太赫茲量子點探測器測量校準方法示意圖Fig.8 Schematic diagram of measurement calibration method for terahertz quantum dot detector

5 結束語

基于量子關聯成像及量子點探測器原理，著重介紹了壓縮感知、時間分辨、傅里葉等太赫茲量子關聯成像與石墨烯量子點、半導體量子點、量子阱等太赫茲探測器兩類技術的發展現狀，提出了太赫茲量子關聯成像、太赫茲量子點探測器測量校準思路，展望了太赫茲量子探測和成像計量技術的應用前景，為太赫茲量子成像、太赫茲量子點器件顛覆性新質新域技術的國防應用，力爭計量先行保障。