英國達勒姆大學(xué)（University of Durham）的研究人員創(chuàng)建了一種新的成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)在室溫下利用原子蒸氣激發(fā)將太赫茲輻射轉(zhuǎn)換為可見光。該系統(tǒng)可以使用傳統(tǒng)的高速攝像機快速有效地獲取太赫茲圖像，而且新技術(shù)也讓太赫茲輻射的應(yīng)用開發(fā)變得更容易。

圖1 太赫茲成像系統(tǒng)顯示了一個形似PSI品牌標志的物體（綠光）。原子蒸氣激發(fā)出的光可用尼康數(shù)碼單反相機拍攝下來。（圖片來源：Lucy Downes/杜倫大學(xué)）

太赫茲輻射在電磁頻譜區(qū)域介于紅外光和微波之間。理論上，它具有廣泛的應(yīng)用前景，比如安全檢查、醫(yī)療成像和工業(yè)質(zhì)量控制。但是，產(chǎn)生和探測0.1到10 THz的電磁波輻射仍然是亟待突破的挑戰(zhàn)。這段尚未被有效認識和利用的頻譜真空地帶，通常被稱為“太赫茲間隙”，雖然在很多不同的應(yīng)用領(lǐng)域，存在著多種競爭性太赫茲技術(shù)，但它們各有缺點。

圖2 太赫茲的頻譜區(qū)域

那么為什么在有多余的電磁頻譜可用時，還對太赫茲輻射念念不忘呢？杜倫大學(xué)的Kevin Weatherill解釋說：“紙、塑料和布料等許多日常材料對于這個區(qū)域的太赫茲輻射來說都是透明的，因此，像X光一樣，它們可以對不透明的物體進行成像。而且由于能量低，輻射是非電離的，對生物和醫(yī)療應(yīng)用很安全，而且它的波長足夠短能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率的成像。”

低速和噪音問題

目前已經(jīng)開發(fā)出幾種太赫茲成像技術(shù)。有些系統(tǒng)利用單像素探測器，通過在物體上掃描太赫茲光束來創(chuàng)建圖像，但這種方式過程很緩慢。“利用小面積的焦平面陣列或全視場傳感器，可以一次性完成整個二維（2D）圖像的拍攝，”Weatherill說，“當前最先進的技術(shù)可能是微測輻射熱計陣列（熱傳感器）。不過由于靈敏度較低，它們的幀速率限制在30赫茲左右，因此需要很長時間來收集光子才能高于背景噪聲呈現(xiàn)圖像。”

Weatherill和他的同事們所創(chuàng)建的太赫茲成像系統(tǒng)，包括了一個充滿了銫原子的蒸氣池和聚焦其上的三個紅外激光器。每個激光器被精確地調(diào)諧到銫原子三個連續(xù)躍遷能級中的一個。當這三個激光器連續(xù)激發(fā)時，銫原子最終處于高激發(fā)的“里德堡態(tài)”。原子躍遷到不同的里德堡態(tài)需要吸收0.55 THz的光子能量，不過大約一微秒后將發(fā)生衰變。衰變過程將釋放綠色光子，這種光子能夠被普通的光學(xué)相機探測。

太赫茲輻射在0.55 THz處顯現(xiàn)出尖銳的共振響應(yīng)，而其他頻率的太赫茲輻射不會被探測到。因此，與其他探測太赫茲光子的技術(shù)不同，該技術(shù)可以可靠地從廣譜熱噪聲中挑出窄帶信號，而且探測靈敏度大約是其他技術(shù)100倍。

雙色成像

研究人員當前能夠獲得的太赫茲成像速度可達到每秒3000幀。他們還在繼續(xù)優(yōu)化他們的設(shè)備，并且相信從理論上采集數(shù)據(jù)的幀速率應(yīng)該可以達到1 MHz。另外，他們還熱衷于拓展其他方面的研究，例如探測其他頻率的太赫茲輻射，以及雙色太赫茲成像。

杜倫大學(xué)的Lucy Downes說：“我也很想嘗試把它設(shè)置成反射模式，這樣我們就可以檢測大塊物體的表面缺陷。”

美國布朗大學(xué)（Brown University）的Daniel Mittleman表示，這套成像系統(tǒng)最明顯的應(yīng)用是在實驗室中：“像爆炸、沖擊波測試、固體的基礎(chǔ)物理研究以及某些快速、極端自然現(xiàn)象等，都是太赫茲成像可大顯身手的地方，對任何可見光不透明的材料而言，太赫茲都是有趣的選擇。”

對于更多的商業(yè)應(yīng)用，他預(yù)見創(chuàng)造實用型太赫茲器件將面臨諸多挑戰(zhàn)。“最終，將它們封裝好，然后拿到物理實驗室之外去使用應(yīng)該會很有意思。如果應(yīng)用僅限于基礎(chǔ)物理研究，那么這些挑戰(zhàn)就變得無關(guān)緊要了。如果想將它們應(yīng)用到實驗室外的領(lǐng)域，那么解決實用性的問題就很重要，而這個問題還需要我們進一步的探討。”