太赫兹量子关联成像和量子点探测器发展现状及计量技术展望

李宏光王元博廖文焘

（1.西安应用光学研究所，西安 710065；2.中国计量大学 光学与电子科技学院，杭州 310018）

1 引言

量子成像是融合量子技术和光学成像的非局域性成像技术，区别于对光信号强度和相位分布直接测量的传统成像技术，量子成像技术基于信号源的量子涨落性质，通过提取关联信息实现对目标的非局域成像。量子成像技术表现出诸如非局域性、超衍射极限分辨、光路扰动小等优势，在近些年成为研究热点。

太赫兹波展现出独特的空间分辨率、穿透性和光谱指纹特性，在前沿科学、国防工业领域具有应用前景。传统的太赫兹成像一般利用逐点扫描和焦平面成像的方式，受限于成像时间长、装置复杂、制备难度大、成本高等。太赫兹量子关联成像可以解决经典探测技术无法解决的难题［1-9］。另外，太赫兹探测的探测效率、暗计数率、动态范围和死区时间等性能指标扩展对探测器提出了更高要求［10］。量子点探测器是一种具有极高灵敏度的光电探测器，得益于其研制成本、高信噪比以及远高于热探测的响应速度，在太赫兹系统中得到广泛应用。通过太赫兹量子关联成像、太赫兹量子点探测器理论及技术的最新发展综述，提出了太赫兹量子关联成像和太赫兹量子点探测器测量校准研究思路及设想，展望太赫兹量子技术发展方向。

2 太赫兹成像技术面临的挑战及量子化发展需求

太赫兹成像经典体系包括逐点扫描和实时阵列成像，逐点扫描成像利用单一收发端移动采集信息实现目标整体成像；实时阵列成像采用多个探测器联合成像。其面临诸多制约，主要表现在：

1）传统太赫兹波成像的空间分辨率较差，难以突破毫米量级；

2）在雾霾天气、云雾遮挡等恶劣环境下灵敏度低，作用距离近；

3）波长长、光学像质差、离焦；

4）高密度、高性能的焦平面探测器受限等。

因此，亟需开展新的成像技术以解决以上难题，太赫兹量子成像技术表现出传统成像技术无法比拟的优势，有望打破经典限制，逐步提升探测性能。

3 太赫兹量子关联成像及量子点探测器发展现状

3.1 太赫兹量子关联成像技术

太赫兹成像技术在化学识别、探查隐匿的易燃、易爆危险品等方面有重要的应用。然而，太赫兹成像技术受限于Rayleigh 衍射极限，空间分辨率在mm 量级，难以突破μm 量级。2018 年，中科院提出利用单点探测器以关联成像方式搭建太赫兹成像系统［11］，突破太赫兹空间分辨率极限实现二维成像。2019 年，中科院基于成像变换矩阵提出相干成像算法获得模拟光场的关联成像方式［12］，利用可见光相机拍摄调幅板花纹信息，突破了衍射极限分辨率。2021 年，瑟赛克斯大学［13］首次利用非线性二次变换成功提出太赫兹非线性相机，发射太赫兹辐射捕获固态物体内部的高分辨特征，实现高光谱成像。中科院基于太赫兹量子级联激光器和光谱匹配量子阱光电探测器提出成像分辨率达到0.5 mm 的透射成像系统［14］，证明了激光和光电探测器在成像技术的应用潜力。Khasanov 等人研究了量子关联表面等离子共振显微镜［15］，利用自由电子激光辐射太赫兹波，提出一种经典量子关联成像方法，可以忽视目标和相机之间的环境像差，显著提高太赫兹表面等离子共振显微镜分辨率。2021 年，Leibov 等人通过频域和时域建模［16］，研究随机相位脉冲太赫兹辐射的量子关联成像数学和计算模型，重构宽谱太赫兹脉冲量子关联成像。Hagelschuer 等人提出量子级联激光高光谱分辨率太赫兹成像［17］，同步快速实现太赫兹高分辨率光谱和高分辨率成像。kItaeva 等人利用二阶场矩的广义基尔霍夫定律方程［18］，研究在非线性介质中通过自发参数下转换效应产生两个极其不同频率范围（光学和太赫兹）的量子关联效应。

3.1.1 基于超衍射的太赫兹量子关联成像技术

2016 年，英国提出亚波长分辨率的非接触近场太赫兹成像［19］。在硅片上投射光学图案，该图案在空间上调制太赫兹辐射同步脉冲的传输。成像原理如图1 所示，未知目标被放置在硅片的隐藏侧，每个掩模对应的远场太赫兹透射率被探测器采集，实现了亚波长尺度的太赫兹波量子关联成像。

图1 太赫兹超衍射分辨成像示意框图Fig.1 Block of terahertz super diffraction resolved imaging

3.1.2 时间分辨太赫兹脉冲量子关联成像技术

2017 年，英国Stantchev 等人提出自适应和压缩感知算法兼容的太赫兹成像技术［20］，太赫兹单像素成像原理如图2 所示，设计可实现反常光学效应的超材料，利用一系列光学图案激发6 μm 厚度硅片，对其进行空间调制，实现了λ/45 的超分辨率成像。

图2 太赫兹近场单像素成像示意图Fig.2 Diagram of terahertz near-field single pixel imaging

2018 年，英国Olivieri 等基于时间分辨的非线性关联成像技术获取目标的太赫兹光谱图像［21］。首先，空间编码的飞秒激光激发非线性晶体辐射太赫兹波，利用透射式时域光谱仪扫描时域信号，基于量子关联计算时域关联的太赫兹成像。

3.1.3 空间傅里叶谱的太赫兹量子关联成像技术

2019 年，中科院提出空间傅里叶变换原理的太赫兹关联成像技术［22］。太赫兹单像素成像原理如图3 所示，首先，太赫兹波入射到硅基石墨烯上，空间光调制器对其调制，接着，探测器采集物体成像的空间傅里叶谱并通过逆傅里叶变换重构成像。该技术对成像目标的测量次数大幅缩减，极大地提高了成像效率。

图3 太赫兹单像素成像系统示意图Fig.3 Schematic diagram of terahertz single pixel imaging system

3.2 太赫兹量子点探测器

太赫兹也是电磁波的一种，类比光波光子，太赫兹光子由于吸收效应电子或准粒子会激发“人工原子”的量子态变化，太赫兹量子点探测器将其转化为电信号，实现对太赫兹波的高灵敏探测。太赫兹量子探测器主要包括半导体量子点探测器（QDD）、超导量子电容探测器（QCD）、太赫兹量子阱探测器（THz QWP）和石墨烯量子点探测器等。

QDD 的灵敏度最高，单量子点QDD 的NEP 能够达到10-22W／Hz1／2；QCD 的量子效率可以达到90%，NEP 小于10-20W／Hz1／2［23］；QWP 的灵敏度达到（10-11～10-12）W／Hz1／2，工艺简单，使用寿命长，稳定性高［24］；石墨烯量子点太赫兹探测器具有体积小，效率高，响应速度快等优势。

目前，太赫兹量子点探测器的各项性能可以通过不同调节方式提高，通过减小探测器敏感单元体积、提高薄膜质量和采用更低噪声的放大器等方式可以提高探测器的灵敏度；通过优化耦合结构可以提高量子效率；通过优化探测器整体结构和读出电路等方式可以提高动态范围。

3.2.1 量子点太赫兹探测器

石墨烯量子点是在光学、电子学和热学等领域具有优异性能的新型纳米结构。石墨烯量子点探测器根据电流变化实现对单个光子探测，如图4 所示，当光子进入石墨烯量子点时，电子-空穴对在晶格中形成电流。相较于传统太赫兹探测器，石墨烯量子点探测器具有更高灵敏度、更低噪声和更快响应速度，通过调节尺寸、石墨烯量子点的排列方式和能带结构可以实现对不同频段太赫兹波的探测［25，26］。

图4 石墨烯量子点太赫兹量子点探测器结构图Fig.4 Structure diagram of graphene quantum dot terahertz quantum dot detector

2022 年，麻省理工大学提出基于发光量子点间电荷转移诱导太赫兹到可见光光子上转换的室温太赫兹相机［27］，探测器灵敏度优于现有的室温太赫兹传感器，如图5 所示，“量子点”受到太赫兹波辐射，发射可见光，接着利用标准电子相机检测器设备采集可见光，基于此制备了可以室温运行的两个设备，可以同时对太赫兹偏振态和场强成像。

图5 太赫兹相机和偏振仪示意图Fig.5 Schematic diagram of terahertz camera and polarimeter

3.2.2 QDD 太赫兹探测器

QDD 的“人工原子”为量子点，是纳米级的半导体颗粒，QDD 需要同时满足热波动远小于量子点中单个电子的电荷能、源极和漏极间的偏置电压（VSD）很小和单个光子的能量要大于内核的能级差这3 个条件才能实现对太赫兹波的探测。如图6（a）所示为量子点探测器的结构图，量子中的电子能态受到垂直于平面的磁场作用时，分离为两个朗道能级，外环为最低能级（L0），被电子完全占据；内核为第一激发态能级（L1），填充少数部分电子，内外在空间上分离，因此可以视为存在弱耦合的两个量子点。量子点吸收太赫兹光子，此时外环出现空穴，内核出现一个电子，此时如图6（b）所示的电导共振峰开始负向偏移，偏移量（Vg）与被吸收的光子数成正比，探测器通过Vg的变化量，即可实现对太赫兹波的探测。

图6 量子点探测器结构及其电压曲线图Fig.6 Structure diagram and voltage curve of quantum dot detector

4 太赫兹量子关联成像及太赫兹量子点探测器测量校准方法

4.1 太赫兹量子关联成像测量校准方法

基于量子关联测量方法的太赫兹源参数校准装置组成如图7（a）所示，由待校准太赫兹成像器件、标准太赫兹掩膜版、光子测量装置、量子关联测量装置和计算机计算关联系统组成，通过待测器件与标准太赫兹掩膜版的量子关联测量实现校准。太赫兹量子测量校准系统如图7（b）所示，太赫兹脉冲经过波片、波导以及滤波片，过滤后剩余泵浦光经过耦合透镜聚焦到偏振分束器，信号光子和闲置光子被分成两路光，随后由探测装置探测，通过关联计算完成测量，经过量子成像处理系统分析实现光量子成像系统参数的校准。

图7 太赫兹源量子关联方法参数校准装置图Fig.7 Diagram of parameter calibration device for terahertz source quantum correlation methed

4.2 太赫兹量子点探测器测量校准方法

太赫兹量子点探测器校准方法如图8 所示，太赫兹源发出的太赫兹波经分光镜后分成A、B 两路，凸透镜1 对发散的太赫兹波A 进行准直，凸透镜2将太赫兹波汇聚在标准的太赫兹子标准量子点探测器上，离轴抛物面镜1 对发散的太赫兹波B 进行准直，离轴抛物面镜2 将太赫兹波汇聚在太赫兹待测量子点探测器上，计算机将标准量子点探测器和待测量子点探测器的数据结果进行对比，从而实现校准。

图8 太赫兹量子点探测器测量校准方法示意图Fig.8 Schematic diagram of measurement calibration method for terahertz quantum dot detector

5 结束语

基于量子关联成像及量子点探测器原理，着重介绍了压缩感知、时间分辨、傅里叶等太赫兹量子关联成像与石墨烯量子点、半导体量子点、量子阱等太赫兹探测器两类技术的发展现状，提出了太赫兹量子关联成像、太赫兹量子点探测器测量校准思路，展望了太赫兹量子探测和成像计量技术的应用前景，为太赫兹量子成像、太赫兹量子点器件颠覆性新质新域技术的国防应用，力争计量先行保障。