太赫茲量子關(guān)聯(lián)成像和量子點(diǎn)探測(cè)器發(fā)展現(xiàn)狀及計(jì)量技術(shù)展望

李宏光王元博廖文燾

（1.西安應(yīng)用光學(xué)研究所，西安 710065；2.中國(guó)計(jì)量大學(xué) 光學(xué)與電子科技學(xué)院，杭州 310018）

1 引言

量子成像是融合量子技術(shù)和光學(xué)成像的非局域性成像技術(shù)，區(qū)別于對(duì)光信號(hào)強(qiáng)度和相位分布直接測(cè)量的傳統(tǒng)成像技術(shù)，量子成像技術(shù)基于信號(hào)源的量子漲落性質(zhì)，通過(guò)提取關(guān)聯(lián)信息實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的非局域成像。量子成像技術(shù)表現(xiàn)出諸如非局域性、超衍射極限分辨、光路擾動(dòng)小等優(yōu)勢(shì)，在近些年成為研究熱點(diǎn)。

太赫茲波展現(xiàn)出獨(dú)特的空間分辨率、穿透性和光譜指紋特性，在前沿科學(xué)、國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的太赫茲成像一般利用逐點(diǎn)掃描和焦平面成像的方式，受限于成像時(shí)間長(zhǎng)、裝置復(fù)雜、制備難度大、成本高等。太赫茲量子關(guān)聯(lián)成像可以解決經(jīng)典探測(cè)技術(shù)無(wú)法解決的難題［1-9］。另外，太赫茲探測(cè)的探測(cè)效率、暗計(jì)數(shù)率、動(dòng)態(tài)范圍和死區(qū)時(shí)間等性能指標(biāo)擴(kuò)展對(duì)探測(cè)器提出了更高要求［10］。量子點(diǎn)探測(cè)器是一種具有極高靈敏度的光電探測(cè)器，得益于其研制成本、高信噪比以及遠(yuǎn)高于熱探測(cè)的響應(yīng)速度，在太赫茲系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。通過(guò)太赫茲量子關(guān)聯(lián)成像、太赫茲量子點(diǎn)探測(cè)器理論及技術(shù)的最新發(fā)展綜述，提出了太赫茲量子關(guān)聯(lián)成像和太赫茲量子點(diǎn)探測(cè)器測(cè)量校準(zhǔn)研究思路及設(shè)想，展望太赫茲量子技術(shù)發(fā)展方向。

2 太赫茲成像技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)及量子化發(fā)展需求

太赫茲成像經(jīng)典體系包括逐點(diǎn)掃描和實(shí)時(shí)陣列成像，逐點(diǎn)掃描成像利用單一收發(fā)端移動(dòng)采集信息實(shí)現(xiàn)目標(biāo)整體成像；實(shí)時(shí)陣列成像采用多個(gè)探測(cè)器聯(lián)合成像。其面臨諸多制約，主要表現(xiàn)在：

1）傳統(tǒng)太赫茲波成像的空間分辨率較差，難以突破毫米量級(jí)；

2）在霧霾天氣、云霧遮擋等惡劣環(huán)境下靈敏度低，作用距離近；

3）波長(zhǎng)長(zhǎng)、光學(xué)像質(zhì)差、離焦；

4）高密度、高性能的焦平面探測(cè)器受限等。

因此，亟需開(kāi)展新的成像技術(shù)以解決以上難題，太赫茲量子成像技術(shù)表現(xiàn)出傳統(tǒng)成像技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，有望打破經(jīng)典限制，逐步提升探測(cè)性能。

3 太赫茲量子關(guān)聯(lián)成像及量子點(diǎn)探測(cè)器發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 太赫茲量子關(guān)聯(lián)成像技術(shù)

太赫茲成像技術(shù)在化學(xué)識(shí)別、探查隱匿的易燃、易爆危險(xiǎn)品等方面有重要的應(yīng)用。然而，太赫茲成像技術(shù)受限于Rayleigh 衍射極限，空間分辨率在mm 量級(jí)，難以突破μm 量級(jí)。2018 年，中科院提出利用單點(diǎn)探測(cè)器以關(guān)聯(lián)成像方式搭建太赫茲成像系統(tǒng)［11］，突破太赫茲空間分辨率極限實(shí)現(xiàn)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(chǎng)的關(guān)聯(lián)成像方式［12］，利用可見(jiàn)光相機(jī)拍攝調(diào)幅板花紋信息，突破了衍射極限分辨率。2021 年，瑟賽克斯大學(xué)［13］首次利用非線性二次變換成功提出太赫茲非線性相機(jī)，發(fā)射太赫茲輻射捕獲固態(tài)物體內(nèi)部的高分辨特征，實(shí)現(xiàn)高光譜成像。中科院基于太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器和光譜匹配量子阱光電探測(cè)器提出成像分辨率達(dá)到0.5 mm 的透射成像系統(tǒng)［14］，證明了激光和光電探測(cè)器在成像技術(shù)的應(yīng)用潛力。Khasanov 等人研究了量子關(guān)聯(lián)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(jīng)典量子關(guān)聯(lián)成像方法，可以忽視目標(biāo)和相機(jī)之間的環(huán)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(guò)頻域和時(shí)域建模［16］，研究隨機(jī)相位脈沖太赫茲輻射的量子關(guān)聯(lián)成像數(shù)學(xué)和計(jì)算模型，重構(gòu)寬譜太赫茲脈沖量子關(guān)聯(lián)成像。Hagelschuer 等人提出量子級(jí)聯(lián)激光高光譜分辨率太赫茲成像［17］，同步快速實(shí)現(xiàn)太赫茲高分辨率光譜和高分辨率成像。kItaeva 等人利用二階場(chǎng)矩的廣義基爾霍夫定律方程［18］，研究在非線性介質(zhì)中通過(guò)自發(fā)參數(shù)下轉(zhuǎn)換效應(yīng)產(chǎn)生兩個(gè)極其不同頻率范圍（光學(xué)和太赫茲）的量子關(guān)聯(lián)效應(yīng)。

3.1.1 基于超衍射的太赫茲量子關(guān)聯(lián)成像技術(shù)

2016 年，英國(guó)提出亞波長(zhǎng)分辨率的非接觸近場(chǎng)太赫茲成像［19］。在硅片上投射光學(xué)圖案，該圖案在空間上調(diào)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(biāo)被放置在硅片的隱藏側(cè)，每個(gè)掩模對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)場(chǎng)太赫茲透射率被探測(cè)器采集，實(shí)現(xiàn)了亞波長(zhǎng)尺度的太赫茲波量子關(guān)聯(lián)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(shí)間分辨太赫茲脈沖量子關(guān)聯(lián)成像技術(shù)

2017 年，英國(guó)Stantchev 等人提出自適應(yīng)和壓縮感知算法兼容的太赫茲成像技術(shù)［20］，太赫茲單像素成像原理如圖2 所示，設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)反常光學(xué)效應(yīng)的超材料，利用一系列光學(xué)圖案激發(fā)6 μm 厚度硅片，對(duì)其進(jìn)行空間調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了λ/45 的超分辨率成像。

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

2018 年，英國(guó)Olivieri 等基于時(shí)間分辨的非線性關(guān)聯(lián)成像技術(shù)獲取目標(biāo)的太赫茲光譜圖像［21］。首先，空間編碼的飛秒激光激發(fā)非線性晶體輻射太赫茲波，利用透射式時(shí)域光譜儀掃描時(shí)域信號(hào)，基于量子關(guān)聯(lián)計(jì)算時(shí)域關(guān)聯(lián)的太赫茲成像。

3.1.3 空間傅里葉譜的太赫茲量子關(guān)聯(lián)成像技術(shù)

2019 年，中科院提出空間傅里葉變換原理的太赫茲關(guān)聯(lián)成像技術(shù)［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(diào)制器對(duì)其調(diào)制，接著，探測(cè)器采集物體成像的空間傅里葉譜并通過(guò)逆傅里葉變換重構(gòu)成像。該技術(shù)對(duì)成像目標(biāo)的測(cè)量次數(shù)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(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of terahertz single pixel imaging system

3.2 太赫茲量子點(diǎn)探測(cè)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(yīng)電子或準(zhǔn)粒子會(huì)激發(fā)“人工原子”的量子態(tài)變化，太赫茲量子點(diǎn)探測(cè)器將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的高靈敏探測(cè)。太赫茲量子探測(cè)器主要包括半導(dǎo)體量子點(diǎn)探測(cè)器（QDD）、超導(dǎo)量子電容探測(cè)器（QCD）、太赫茲量子阱探測(cè)器（THz QWP）和石墨烯量子點(diǎn)探測(cè)器等。

QDD 的靈敏度最高，單量子點(diǎn)QDD 的NEP 能夠達(dá)到10-22W／Hz1／2；QCD 的量子效率可以達(dá)到90%，NEP 小于10-20W／Hz1／2［23］；QWP 的靈敏度達(dá)到（10-11～10-12）W／Hz1／2，工藝簡(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定性高［24］；石墨烯量子點(diǎn)太赫茲探測(cè)器具有體積小，效率高，響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)。

目前，太赫茲量子點(diǎn)探測(cè)器的各項(xiàng)性能可以通過(guò)不同調(diào)節(jié)方式提高，通過(guò)減小探測(cè)器敏感單元體積、提高薄膜質(zhì)量和采用更低噪聲的放大器等方式可以提高探測(cè)器的靈敏度；通過(guò)優(yōu)化耦合結(jié)構(gòu)可以提高量子效率；通過(guò)優(yōu)化探測(cè)器整體結(jié)構(gòu)和讀出電路等方式可以提高動(dòng)態(tài)范圍。

3.2.1 量子點(diǎn)太赫茲探測(cè)器

石墨烯量子點(diǎn)是在光學(xué)、電子學(xué)和熱學(xué)等領(lǐng)域具有優(yōu)異性能的新型納米結(jié)構(gòu)。石墨烯量子點(diǎn)探測(cè)器根據(jù)電流變化實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)光子探測(cè)，如圖4 所示，當(dāng)光子進(jìn)入石墨烯量子點(diǎn)時(shí)，電子-空穴對(duì)在晶格中形成電流。相較于傳統(tǒng)太赫茲探測(cè)器，石墨烯量子點(diǎn)探測(cè)器具有更高靈敏度、更低噪聲和更快響應(yīng)速度，通過(guò)調(diào)節(jié)尺寸、石墨烯量子點(diǎn)的排列方式和能帶結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同頻段太赫茲波的探測(cè)［25，26］。

圖4 石墨烯量子點(diǎn)太赫茲量子點(diǎn)探測(cè)器結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of graphene quantum dot terahertz quantum dot detector

2022 年，麻省理工大學(xué)提出基于發(fā)光量子點(diǎn)間電荷轉(zhuǎn)移誘導(dǎo)太赫茲到可見(jiàn)光光子上轉(zhuǎn)換的室溫太赫茲相機(jī)［27］，探測(cè)器靈敏度優(yōu)于現(xiàn)有的室溫太赫茲傳感器，如圖5 所示，“量子點(diǎn)”受到太赫茲波輻射，發(fā)射可見(jiàn)光，接著利用標(biāo)準(zhǔn)電子相機(jī)檢測(cè)器設(shè)備采集可見(jiàn)光，基于此制備了可以室溫運(yùn)行的兩個(gè)設(shè)備，可以同時(shí)對(duì)太赫茲偏振態(tài)和場(chǎng)強(qiáng)成像。

圖5 太赫茲相機(jī)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(cè)器

QDD 的“人工原子”為量子點(diǎn)，是納米級(jí)的半導(dǎo)體顆粒，QDD 需要同時(shí)滿足熱波動(dòng)遠(yuǎn)小于量子點(diǎn)中單個(gè)電子的電荷能、源極和漏極間的偏置電壓（VSD）很小和單個(gè)光子的能量要大于內(nèi)核的能級(jí)差這3 個(gè)條件才能實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的探測(cè)。如圖6（a）所示為量子點(diǎn)探測(cè)器的結(jié)構(gòu)圖，量子中的電子能態(tài)受到垂直于平面的磁場(chǎng)作用時(shí)，分離為兩個(gè)朗道能級(jí)，外環(huán)為最低能級(jí)（L0），被電子完全占據(jù)；內(nèi)核為第一激發(fā)態(tài)能級(jí)（L1），填充少數(shù)部分電子，內(nèi)外在空間上分離，因此可以視為存在弱耦合的兩個(gè)量子點(diǎn)。量子點(diǎn)吸收太赫茲光子，此時(shí)外環(huán)出現(xiàn)空穴，內(nèi)核出現(xiàn)一個(gè)電子，此時(shí)如圖6（b）所示的電導(dǎo)共振峰開(kāi)始負(fù)向偏移，偏移量（Vg）與被吸收的光子數(shù)成正比，探測(cè)器通過(guò)Vg的變化量，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的探測(cè)。

圖6 量子點(diǎn)探測(cè)器結(jié)構(gòu)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(guān)聯(lián)成像及太赫茲量子點(diǎn)探測(cè)器測(cè)量校準(zhǔn)方法

4.1 太赫茲量子關(guān)聯(lián)成像測(cè)量校準(zhǔn)方法

基于量子關(guān)聯(lián)測(cè)量方法的太赫茲源參數(shù)校準(zhǔn)裝置組成如圖7（a）所示，由待校準(zhǔn)太赫茲成像器件、標(biāo)準(zhǔn)太赫茲掩膜版、光子測(cè)量裝置、量子關(guān)聯(lián)測(cè)量裝置和計(jì)算機(jī)計(jì)算關(guān)聯(lián)系統(tǒng)組成，通過(guò)待測(cè)器件與標(biāo)準(zhǔn)太赫茲掩膜版的量子關(guān)聯(lián)測(cè)量實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)。太赫茲量子測(cè)量校準(zhǔn)系統(tǒng)如圖7（b）所示，太赫茲脈沖經(jīng)過(guò)波片、波導(dǎo)以及濾波片，過(guò)濾后剩余泵浦光經(jīng)過(guò)耦合透鏡聚焦到偏振分束器，信號(hào)光子和閑置光子被分成兩路光，隨后由探測(cè)裝置探測(cè)，通過(guò)關(guān)聯(lián)計(jì)算完成測(cè)量，經(jīng)過(guò)量子成像處理系統(tǒng)分析實(shí)現(xiàn)光量子成像系統(tǒng)參數(shù)的校準(zhǔn)。

圖7 太赫茲源量子關(guān)聯(lián)方法參數(shù)校準(zhǔn)裝置圖Fig.7 Diagram of parameter calibration device for terahertz source quantum correlation methed

4.2 太赫茲量子點(diǎn)探測(cè)器測(cè)量校準(zhǔn)方法

太赫茲量子點(diǎn)探測(cè)器校準(zhǔn)方法如圖8 所示，太赫茲源發(fā)出的太赫茲波經(jīng)分光鏡后分成A、B 兩路，凸透鏡1 對(duì)發(fā)散的太赫茲波A 進(jìn)行準(zhǔn)直，凸透鏡2將太赫茲波匯聚在標(biāo)準(zhǔn)的太赫茲子標(biāo)準(zhǔn)量子點(diǎn)探測(cè)器上，離軸拋物面鏡1 對(duì)發(fā)散的太赫茲波B 進(jìn)行準(zhǔn)直，離軸拋物面鏡2 將太赫茲波匯聚在太赫茲待測(cè)量子點(diǎn)探測(cè)器上，計(jì)算機(jī)將標(biāo)準(zhǔn)量子點(diǎn)探測(cè)器和待測(cè)量子點(diǎn)探測(cè)器的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)。

圖8 太赫茲量子點(diǎn)探測(cè)器測(cè)量校準(zhǔn)方法示意圖Fig.8 Schematic diagram of measurement calibration method for terahertz quantum dot detector

5 結(jié)束語(yǔ)

基于量子關(guān)聯(lián)成像及量子點(diǎn)探測(cè)器原理，著重介紹了壓縮感知、時(shí)間分辨、傅里葉等太赫茲量子關(guān)聯(lián)成像與石墨烯量子點(diǎn)、半導(dǎo)體量子點(diǎn)、量子阱等太赫茲探測(cè)器兩類技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了太赫茲量子關(guān)聯(lián)成像、太赫茲量子點(diǎn)探測(cè)器測(cè)量校準(zhǔn)思路，展望了太赫茲量子探測(cè)和成像計(jì)量技術(shù)的應(yīng)用前景，為太赫茲量子成像、太赫茲量子點(diǎn)器件顛覆性新質(zhì)新域技術(shù)的國(guó)防應(yīng)用，力爭(zhēng)計(jì)量先行保障。