利用高激发的里德堡态原子实现高速太赫兹成像系统

英国达勒姆大学（University of Durham）的研究人员创建了一种新的成像系统，该系统在室温下利用原子蒸气激发将太赫兹辐射转换为可见光。该系统可以使用传统的高速摄像机快速有效地获取太赫兹图像，而且新技术也让太赫兹辐射的应用开发变得更容易。

图1 太赫兹成像系统显示了一个形似PSI品牌标志的物体（绿光）。原子蒸气激发出的光可用尼康数码单反相机拍摄下来。（图片来源：Lucy Downes/杜伦大学）

太赫兹辐射在电磁频谱区域介于红外光和微波之间。理论上，它具有广泛的应用前景，比如安全检查、医疗成像和工业质量控制。但是，产生和探测0.1到10 THz的电磁波辐射仍然是亟待突破的挑战。这段尚未被有效认识和利用的频谱真空地带，通常被称为“太赫兹间隙”，虽然在很多不同的应用领域，存在着多种竞争性太赫兹技术，但它们各有缺点。

图2 太赫兹的频谱区域

那么为什么在有多余的电磁频谱可用时，还对太赫兹辐射念念不忘呢？杜伦大学的Kevin Weatherill解释说：“纸、塑料和布料等许多日常材料对于这个区域的太赫兹辐射来说都是透明的，因此，像X光一样，它们可以对不透明的物体进行成像。而且由于能量低，辐射是非电离的，对生物和医疗应用很安全，而且它的波长足够短能够实现高分辨率的成像。”

低速和噪音问题

目前已经开发出几种太赫兹成像技术。有些系统利用单像素探测器，通过在物体上扫描太赫兹光束来创建图像，但这种方式过程很缓慢。“利用小面积的焦平面阵列或全视场传感器，可以一次性完成整个二维（2D）图像的拍摄，”Weatherill说，“当前最先进的技术可能是微测辐射热计阵列（热传感器）。不过由于灵敏度较低，它们的帧速率限制在30赫兹左右，因此需要很长时间来收集光子才能高于背景噪声呈现图像。”

Weatherill和他的同事们所创建的太赫兹成像系统，包括了一个充满了铯原子的蒸气池和聚焦其上的三个红外激光器。每个激光器被精确地调谐到铯原子三个连续跃迁能级中的一个。当这三个激光器连续激发时，铯原子最终处于高激发的“里德堡态”。原子跃迁到不同的里德堡态需要吸收0.55 THz的光子能量，不过大约一微秒后将发生衰变。衰变过程将释放绿色光子，这种光子能够被普通的光学相机探测。

太赫兹辐射在0.55 THz处显现出尖锐的共振响应，而其他频率的太赫兹辐射不会被探测到。因此，与其他探测太赫兹光子的技术不同，该技术可以可靠地从广谱热噪声中挑出窄带信号，而且探测灵敏度大约是其他技术100倍。

双色成像

研究人员当前能够获得的太赫兹成像速度可达到每秒3000帧。他们还在继续优化他们的设备，并且相信从理论上采集数据的帧速率应该可以达到1 MHz。另外，他们还热衷于拓展其他方面的研究，例如探测其他频率的太赫兹辐射，以及双色太赫兹成像。

杜伦大学的Lucy Downes说：“我也很想尝试把它设置成反射模式，这样我们就可以检测大块物体的表面缺陷。”

美国布朗大学（Brown University）的Daniel Mittleman表示，这套成像系统最明显的应用是在实验室中：“像爆炸、冲击波测试、固体的基础物理研究以及某些快速、极端自然现象等，都是太赫兹成像可大显身手的地方，对任何可见光不透明的材料而言，太赫兹都是有趣的选择。”

对于更多的商业应用，他预见创造实用型太赫兹器件将面临诸多挑战。“最终，将它们封装好，然后拿到物理实验室之外去使用应该会很有意思。如果应用仅限于基础物理研究，那么这些挑战就变得无关紧要了。如果想将它们应用到实验室外的领域，那么解决实用性的问题就很重要，而这个问题还需要我们进一步的探讨。”