“太赫兹波前获取与调控”专题前言
——曹俊诚，韩家广，赵自然，张岩
[摘要]太赫兹辐射具有低光子能量、指纹谱及强穿透性等优良特征，在基础物理、通信技术和生命科学等领域具有广阔的应用前景。太赫兹成像可以同时获取样品的形貌和光谱响应特性，是太赫兹技术能够率先实现实际应用的重要方向。近年来，随着现代光学和光电子学的快速发展，太赫兹成像领域出现了新的方法和技术，促进了太赫兹成像往更高维度、更高分辨率、更高性能及更高效率方向发展...
查看详情中国科学院空天信息创新研究院
[摘要]太赫兹（THz）近场成像是突破光学衍射极限实现太赫兹超分辨成像的重要方法，对研究材料表面的超快动力学过程具有重要的意义。扫描隧道显微镜（STM）是一种能实现原子级分辨的设备，但引入时间尺度，面临诸多困难。早期从STM固有电学方法发展的时间分辨方法的分辨率受限于电信号传输带宽，基于光信号耦合的泵浦探测方法则面临微带线传输带宽和严重的热效应等限制。在此背景下，THz-STM以低热效应、高隧穿效率、高稳定性等独有的优势为实现100 fs量级和0.1 nm级超高时空分辨成像提供了解决方案，成为太赫兹近场超分辨成像的研究热点。介绍时间分辨STM到THz-STM的发展历史，着重介绍THz-STM的基本原理和现状，为了解THz-STM技术在太赫兹近场超分辨成像中的应用和发展提供了思路。
基于物理增强神经网络的连续太赫兹波同轴数字全息成像（封底文章）
北京工业大学理学部
[摘要]太赫兹同轴数字全息是一种全场、无透镜、定量相衬成像方法，具有简单且稳健的光路结构，适合太赫兹波应用，然而其固有的孪生像问题会严重降低再现像的质量。提出一种将物理模型和卷积神经网络相结合的迭代相位复原方法，在无需施加约束以及准备预训练的标记数据集情况下，可从单幅同轴数字全息图中高保真度地恢复出样品的复振幅分布，并充分抑制孪生像干扰。仿真和实验结果表明了该方法的可行性，再现像质量优于目前主流方法，即基于物理增强神经网络的方法可以进一步拓展太赫兹数字全息成像的应用范围。
暨南大学光电信息与传感技术广东普通高校重点实验室
[摘要]太赫兹调制器作为太赫兹技术应用的重要器件之一，在太赫兹通信、成像和传感等领域具有广泛应用前景。但是目前太赫兹调制器调制深度、工作带宽、稳定性等有待提升，这制约了太赫兹技术的进一步推广与发展。基于此，设计并制备了一种新型光控砷化镓/侧边抛磨太赫兹光纤（SPTF）调制器，将砷化镓转移到太赫兹光纤抛磨区，增强太赫兹波倏逝场与砷化镓相互作用。在外置808 nm激光器照射下实现对太赫兹波幅度调制，调制深度达到97.4%。实验结果表明，这种新型的光纤调制器具有较好的光控调制效果。同时，该器件体积小、集成度高，具有广泛应用的潜力。
天津大学精密仪器与光电子工程学院
[摘要]太赫兹（THz）波是频率范围在0.1~10 THz的电磁波，具有低能性、宽带性、指纹光谱、对水敏感等特点。随着太赫兹技术的发展，太赫兹成像技术在生物医学诊断、无损检测和安检等领域表现出许多独特的优点，得到了越来越广泛的关注。主要概述目前常用的太赫兹成像技术，详细介绍脉冲太赫兹成像技术、连续太赫兹成像技术、太赫兹近场成像技术及太赫兹实时成像技术的发展现状，并介绍太赫兹成像技术在安全检查、无损检测和生物医学领域的典型应用，最后对太赫兹成像技术的未来发展进行展望。
云南师范大学物理与电子信息学院
[摘要]太赫兹是电磁波研究中的前沿热点之一，在通信、雷达、生物化学检测等方面有巨大的应用前景。人工电磁材料，特别是超表面的出现和发展，为太赫兹的高效波前控制提供了新的思路和方法。从太赫兹电磁场空间分布的角度出发，阐述了目前超表面在太赫兹波段波前调控的相关工作和方法，对比和讨论了太赫兹远场和近场波前调控的多类应用场景和调控方法，对太赫兹超表面波前调控的发展前景进行了展望，为研究太赫兹波前调控提供了新思路。
四川大学材料科学与工程学院
[摘要]太赫兹成像技术在安全检查、医学成像等领域展现出了巨大的应用潜力。相比传统的机械扫描成像和焦平面阵列成像，单像素成像具有系统简单、成像速度快及成本低等优势。其可结合空间光调制技术，运用关联算法重构出目标的二维太赫兹空间信息。从太赫兹单像素成像的基本概念和发展历程出发，着重分析了单像素成像中编码掩模的原理、材料、发展应用及可能面临的挑战。
电子科技大学电子科学与工程学院
[摘要]太赫兹（THz）技术在下一代移动通信技术、雷达成像技术、物质波谱识别、大气遥感和射电天文学等领域有着广泛的应用前景，其中，能够主动调控太赫兹波幅度、相位和频率等特性的调控器件已成为影响太赫兹技术实际应用的关键器件之一。空间光太赫兹调制器（STM）作为一种典型的空间型波前调控器件，在波束偏转、波束扫描、特殊波束赋形，甚至相控阵技术等方面有着重要的应用。总结、分析和归纳了近年来电控STM和光控STM的主要研究进展，重点介绍了实现技术更简单、工艺成本更低的半导体基全光STM。详细总结了这种全光STM的调制机制和计算模型，系统总结了基于全光STM实现的太赫兹功能器件以及在太赫兹成像技术中的最新研究进展，讨论了全光STM存在的局限，并针对改善调制效率、降低器件插入损耗、提高激光利用率等方面提出多种新型器件结构。最后，对全光STM未来的发展趋势进行了展望。
复旦大学信息科学与工程学院
[摘要]太赫兹（THz）波在通信、成像、安全监测、生物医学等领域有着广阔的应用前景。随着THz技术的飞速发展，对其传输波导，特别是低损耗、单模、柔性传输等高性能THz波导的需求日益增长，这将为提高THz系统的灵活性及推动其实用化发展提供重要支撑。综述了金属膜波导和介质金属膜波导的设计和制备工艺，在0.1~0.3 THz和2.0~5.0 THz频段的损耗和单偏振单模传输等特性，以及在通信和成像等方面的应用。着重介绍了本课题组近年来在波导的设计、特性仿真、制备、测试和应用方面的研究结果。也对THz波导研制中存在的难点和发展前景进行了初步探讨。
中国科学院上海微系统与信息技术研究所
[摘要]工作于太赫兹波段的功能器件常以硅、锗等高折射率材料为界面，这会导致界面与空气的阻抗失配，从而引起不必要的光能损失。在界面镀制增透膜可以有效减小反射率、增加透射率，从而大大提高器件性能，因此增透膜的研制具有重要意义。基于上述的应用需求，首先介绍太赫兹增透膜的研究意义，然后着重介绍目前国内外制备太赫兹增透膜的几种常见方法，并分析各自的优缺点，最后对太赫兹增透膜的研究进行总结和展望。
哈尔滨工程大学物理与光电工程学院
[摘要]连续域束缚态（BIC）是发生在辐射连续域频率范围内且被完全局域的共振，具有无限大的Q值，光与物质之间产生强相互作用，该现象对新型功能器件的发展至关重要。在太赫兹超表面中引入BIC机制，为定制高Q值共振提供了新的思路。从BIC的分类、形成机制、基本性质等方面对BIC进行了简要描述，重点介绍了BIC在THz超表面中的新应用，如高灵敏度传感、手性增强、光谱编码、近场成像。此外，BIC携带拓扑电荷，由偏振矢量缠绕圈数定义，这样的电荷只能通过改变系统参数来产生或湮灭。BIC的拓扑性质也为拓扑光子学新现象的发现提供了新的可能，BIC现象的研究可以为光学和光子学领域带来更多的发展。
中国科学院上海微系统与信息技术研究所
[摘要]太赫兹混频器可通过本征信号与原信号混合，经频率变换，实现频谱探测、超分辨成像和天文信号高灵敏探测，在太赫兹频谱识别、太赫兹安检、射电天文探测等领域具有重要应用前景。本文首先介绍了太赫兹混频器的基本原理、分类、主流技术方案；其次针对太赫兹混频器超灵敏化、高频化、中频宽带化和小型化集成的应用需求，分析了国内外太赫兹混频器设计与制作技术的发展动态；最后归纳了太赫兹混频器的应用状况、技术挑战和可能的解决方案，以便阐明三类太赫兹混频器的技术特点和技术发展趋势。
哈尔滨工业大学电子与信息工程学院
[摘要]因安全隐蔽性和衣物穿透性等特点，被动太赫兹成像已用于关键场所的人体安检。多极化成像可丰富信息维度，提升系统性能。针对极化模式难以选择和多极化图像特性尚不明确等问题，全面评估用于被动太赫兹成像检测的多极化图像质量。首先，分析人体和隐匿物品的任意极化太赫兹辐射亮温模型；然后，通过成像实验和仿真模拟获得4个线极化图像，并计算分析6个极化参数图像；接着，利用传统全局无参考评价指标对比分析多极化图像；最后，采用受试者工作特征（ROC）曲线和差异信噪比（DSNR）定量评估用于检测的局部图像质量，并通过观察者主观评价统计实验验证了若干全局和局部指标的合理性。结果表明，合理选择极化并融合多极化对提升成像检测性能具有重要意义。
北京应用物理与计算数学研究所
[摘要]太赫兹波在生物学和危爆物检测等领域有广泛的应用前景，但其在成像上会受到探测器灵敏度的限制。搭建一套基于太赫兹量子级联激光器的自混合相干成像系统，将全息成像技术与自混合干涉测量相结合，实现太赫兹波段的大景深成像。利用自混合收发一体的特性，在不同偏焦程度下，对分辨率板上每毫米2个线对的区域进行二维成像，在偏焦56倍波长条件下得到与焦平面处相同的图像对比度。
深圳大学医学部生物医学工程学院
[摘要]太赫兹无损检测是一种非侵入、非接触性的新型检测技术，在无损检测领域极具潜力。但在实际探测中，对于复杂的太赫兹回波信号，如色散回波和重叠回波，仅利用传统的信号处理方法（如直接法、反卷积法）难以满足对飞行时间定位精度的要求。稀疏表示法作为一种太赫兹信号处理的新方法，具有良好的定位精度和抗噪性。提出基于最小绝对收缩和选择算子（LASSO）的稀疏表示法，从复杂的太赫兹回波信号中重建脉冲响应函数，并构建双过完备字典完成对太赫兹反射信号的色散补偿。针对重建脉冲响应函数幅值不准确的问题，提出幅值衰减系数，修正脉冲响应函数幅值，有效提升时域峰-峰值的成像质量。通过数值计算和实验分析，验证了所提方法的有效性。可以预期，基于LASSO的稀疏表示法能够为太赫兹无损检测中的信号处理提供新的解决思路。
危爆物品探测技术国家工程研究中心
[摘要]为了提升太赫兹光谱分析的瞬时性和系统集成度，提出一种超表面光谱编码与计算重建相结合的太赫兹光谱测量方法。利用多种超表面结构的光谱编码器件对入射太赫兹波进行高随机光谱编码，并提出基于字典学习的稀疏恢复算法以实现光谱重建。理论计算和数值仿真表明，在4%噪声水平下，所提方法对乳糖透射光谱的重建误差小于3%，可为片上集成化太赫兹光谱仪的发展提供新途径。
首都师范大学物理系
[摘要]提出一种在太赫兹波段检测物质琼斯矩阵的方法。利用太赫兹面阵成像系统对会聚太赫兹光场的纵向分量进行相干测量，由此提取太赫兹光场的偏振信息，并通过分别测量未放置样品、放置原始样品和样品旋转90°后的透射太赫兹光场偏振信息，提取样品的琼斯矩阵元素。利用此方法，分别对不同角度的太赫兹偏振片和波片进行了实验测量，并与理论结果进行比较，发现具有很好的一致性。研究结果说明，所提方法对表征物质在太赫兹波段的各向异性特征具有很好的实用性。
四川大学材料科学与工程学院
[摘要]对太赫兹（THz）波的传输调控是THz光学系统设计、通信、成像应用等领域的基础技术之一。界面阻抗匹配效应可以用于实现高效THz波反射调控，但尚未见硅基界面阻抗设计实现THz波调控的报道。本研究利用自组装法在高阻硅基底上制备MXene膜层，通过增加膜层厚度改变其电阻特性，进而连续调节Si/MXene/空气界面阻抗，实现高效的THz波减反射。在接近阻抗匹配态时，界面THz波反射率减少幅度达83%，透过率衰减约为30%。还利用THz波层析扫描成像技术，得到了Si/MXene/空气界面阻抗变化导致的THz波反射强度变化趋势。设计的具有高效THz波反射调控性能的Si基功能界面为THz波传输调控提供了一种新思路。
山西大同大学物理与电子科学学院
[摘要]借助于结构化的金属/介质界面所形成的人工表面等离激元，能够将太赫兹场束缚在亚波长量级，同时利用单元结构对几何参数的色散特性，可以在二维尺度上操纵太赫兹波，为集成化、小型化片上太赫兹功能器件的发展提供了解决途径。利用立体金属柱子结构的色散特性构建二维渐变折射率透镜，在此基础之上设计平面望远镜、波导耦合器、双功能透镜等二维太赫兹人工表面等离激元传输调控器件，并通过电磁仿真分析每种功能器件的工作性能。本工作不仅丰富了太赫兹表面波调控器件家族，并有望进一步发展表面等离激元链路的太赫兹片上系统。
桂林电子科技大学光电工程学院
[摘要]结构的手性在自然界中普遍存在，通常表现为不能通过平移或旋转与其镜像结构重合的现象。因为光谱探测技术能够反映光和物质相互作用产生的丰富信息，所以利用光学方法检测手性特征成为了探测和鉴别手性物质的常用手段。手性超表面能够通过人工设计达到极大的圆二色性（CD），是物质检测和传感领域的研究热点。设计了一种可动态调控CD响应，同时实现高传感性能的太赫兹手性超表面。该超表面以柔性材料为基底，前后表面为四重旋转对称的J型金属结构。仿真结果表明：该手性超表面在0.760 THz处能够产生高达0.805的强CD值；通过二维方向等比例拉伸，CD峰从0.760 THz红移至0.650 THz附近，且能保持很高的CD信号；同时，其传感灵敏度高达327 GHz/RIU，且在相对拉伸形变量高达20%的拉伸过程中仍能较好地保持手性响应和传感性能。所设计的手性超表面在动态多功能器件、可穿戴传感器领域具有潜在的应用价值。
首都师范大学物理系北京市超材料与器件重点实验室
[摘要]随着太赫兹技术的发展以及全球对6G通信的研究和期望，太赫兹通信技术获得了广泛的关注。但是太赫兹波具有很强的方向性，常常进行端对端的传播，且传播过程中容易被障碍物阻挡，太赫兹通信中的广角和定向传播成为技术难点。设计一种新的广角反射超构表面，其可将入射角为5°~45°的太赫兹波反射聚焦在同一位置，该位置距离样品600 mm，方向为13°。采用共振相位调制原理设计单元结构，利用透镜聚焦原理和相位补偿原理对单元结构进行排布并进行加工。在220 GHz工作频率下进行实验验证，实验结果证实了该器件的功能。所提方案为解决太赫兹6G通信难题提供了一个有效途径，具有一定的应用前景。
南方科技大学工学院电子与电气工程系
[摘要]基于连续域内束缚态（BIC）的超表面具备在时间和空间上实现高效光场调控的能力。在时间维度上，BIC理论上可实现无穷长的辐射光子寿命，因此在激光谐振腔、非线性光学、传感等领域展现了极好的应用价值。为深入理解BIC及衍生谐振特性，基于双开口金属谐振器构成的杂化BIC超表面，探讨由于能带折叠引起的折叠谐振与准BIC谐振之间的特性。利用数值模拟、多极子分析和太赫兹光谱实验验证环形偶极子在这两类谐振辐射特性中的重要作用。此外，通过对比两种不同能带折叠方式的超晶格，进一步确认环形偶极子对折叠谐振品质因数的调制特性。深入理解谐振中多极子的散射特性对获取高品质因数谐振腔具有重要作用，为切实推动超表面在太赫兹传感、调制器和非线性相互作用等领域的应用奠定理论基础。
西安理工大学陕西省超快光电与太赫兹科学重点实验室
[摘要]基于太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统，使用两个相互垂直的光电导天线构建了1×2 GaAs光电导太赫兹源阵列。通过调控各个阵元的偏置电压，对其辐射太赫兹波的偏振方向进行研究。结果表明：在已实现光电导发射天线阵列的高效合成以及可同时检测脉冲太赫兹波的振幅、相位及偏振态的探测天线的基础上，通过调控各个阵元的偏置电压分别改变了平行和垂直两个阵元辐射太赫兹波的强度；经过1×2 GaAs光电导太赫兹源阵列在远场的同步合成，可产生不同偏振方向的脉冲太赫兹波，实现了以全电控的方式产生任意偏振方向太赫兹波的光电导太赫兹辐射源。
南昌大学物理与材料学院
[摘要]太赫兹在高速通信、生物医学、无损检测、空间探测和安全防护等众多领域有广阔的应用前景，然而高灵敏室温太赫兹探测器是其亟待解决的难题之一。新兴拓扑材料特殊的光电子学性质为太赫兹探测开辟了新路径。基于第一性原理计算第II类狄拉克半金属NiTe2的能带结构及拓扑表面态，采用机械剥离法得到NiTe2纳米片，通过集成电路工艺制备金属-NiTe2-金属场效应晶体管，并测量其太赫兹光电流响应。结果表明，室温下NiTe2响应度可达2.44 A/W，噪声等效功率约为14.96 pW/Hz1/2，在零偏压自驱动下，响应度仍有2.25 A/W，噪声等效功率下降到9.55 pW/Hz1/2，可与同类探测器媲美，且具有较大的线性度范围，在空气中也具有良好的稳定性。该器件良好的性能对进一步促进室温太赫兹探测器实际应用及集成具有重要意义。
