科学家研制出最新低成本的量子点太赫兹相机

太赫兹辐射的波长介于微波和可见光之间，可以穿透许多非金属材料并检测某些分子的特征，这些特性可用于多种应用，包括机场安全扫描、工业质量控制、天体物理观测、材料的无损表征以及带宽高于当前手机频段的无线通信。

图1 太赫兹波的频率范围

如此多的应用，离不开太赫兹成像技术的实现，通过各类太赫兹探测器去获取太赫兹波与物体作用后的信号，结合图像处理算法得到能够反映物体内部缺陷、异物以及各类结构表征的完整图像，是太赫兹技术应用于无损检测、安检的重要前提。因此，太赫兹探测器一直是科学家们研究的热点课题，特别是开发出检测灵敏度高、响应速度快、可室温工作、便于集成超大规模阵列（多像元）的探测芯片具有重要科学意义和实际应用价值。

1. 微测热辐射计(microbolometer)太赫兹相机

目前，设计用于检测太赫兹波并制作图像的设备一直具有挑战性，比如低温超导探测器灵敏度很高，但是设备价格昂贵、缓慢、笨重，并且需要真空系统和极低的温度。另一类室温探测成像的设备，则是采用微测热辐射计(microbolometer)计原理。

基于光热效应的太赫兹微测辐射热计具有室温成像、实时成像、简单易携且具有与红外微测辐射热计结构、工艺相兼容等优点。其基本工作原理为入射到微桥结构的太赫兹辐射使得热敏电阻层温度产生变化，从而引起热敏电阻层的阻值发生变化，在外加偏置的作用下产生相应的电学信号输出，最后还原成图像信息。

图2 微测辐射热计辐射吸收模型

其中，微桥结构的设计是影响微测辐射热计性能的关键因素。2005年美国MIT的Alan W.M.Lee等人提出了基于VOx焦平面探测器的连续波太赫兹透射成像，其采用了BAE System公司SCC 500L VOx焦平面探测器组件，像元数为160×120，像元尺寸为46um×46um，实现了2.52THz连续波透射成像，证明了采用微测辐射热计作为太赫兹探测器的可行性。

图3 太赫兹微测辐射热计的微桥结构

但由于相比于红外辐射，太赫兹辐射的能量更低，波长更长，传统的微桥结构用于太赫兹波段时存在灵敏度不高且分辨率较低的问题。为了提高微桥结构对太赫兹辐射的吸收效率，必须设计新的微桥结构，如将单层结构改为双层微桥结构或者改变桥腿结构等方案。2008年，日本NEC公司通过在传统的基于VOx热敏材料的微桥构顶层增加一层金属吸收层以提高微桥对太赫兹辐射的吸收率，采用该种结构的微桥结构对太赫兹辐射的探测率相比于传统结构而言有了一定提高。

图4 (a)“I 型”桥腿；  (b)“L 型”桥腿； (c)改进结构

由于太赫兹波段的microbolometer阵列工艺和红外相机兼容，是最先实现太赫兹相机的芯片，也是目前研制太赫兹相机的主流。国外目前已经有行业内知名企业推出了成熟的太赫兹相机产品，国内的市场占比稳居前列。

图5 虹科TE-HV成像系统采用的太赫兹相机与对树叶的成像效果图

除此以外，基于场效应管的检测器阵列、基于量子阱（QW）的多像元探测器阵列等技术也是研究的热点。国内许多研究机构都致力于太赫兹阵列探测器的国产化研究，比如中科院苏州纳米所实现了晶体管混频探测器的阵列化、上海微系统与信息技术研究所在量子阱探测器方面也有诸多突破，但目前还未实现完全商业化。

2. 量子点太赫兹相机

近期，麻省理工学院、明尼苏达大学和三星的研究人员开发了一种新型相机，可以在室温和高压下快速、高灵敏度地检测太赫兹脉冲。更重要的是，它可以同时实时捕获有关波的方向或“极化”的信息，这是现有设备无法做到的，该信息可用于表征具有不对称分子的材料或确定材料的表面形貌。

新系统使用了量子点，当受到太赫兹波的刺激时，量子点可以发出可见光，可见光可以通过类似于标准电子相机探测器的设备记录下来，甚至可以用肉眼看到。麻省理工学院博士生石焦建、化学教授基思·尼尔森（Keith Nelson）和其他12人于11月4日在《自然纳米技术》杂志上发表的一篇论文中描述了该设备。

 

该团队生产了两种可以在室温下运行的不同设备：一种利用量子点将太赫兹脉冲转换为可见光的能力，使该设备能够产生材料图像;另一个产生显示太赫兹波偏振状态的图像。新的“相机”由几层组成，采用标准制造技术制成，如用于微芯片的技术。一系列纳米级平行的金线，由狭窄的狭缝隔开，位于基板上;上面是一层发光量子点材料;上面是用于形成图像的CMOS芯片。偏振检测器，称为旋光仪，使用类似的结构，但具有纳米级环形狭缝，使其能够检测入射光束的偏振。

图7 偏振敏感太赫兹成像实验方案

太赫兹辐射的光子能量极低，这使得它们难以探测。所以，这个设备正在做的是将微小的光子能量转化为可见的东西，很容易用普通相机检测到。在该团队的实验中，该设备能够以低强度水平检测太赫兹脉冲，这超过了当今大型和昂贵系统的能力。研究人员通过拍摄其设备中使用的一些结构的太赫兹照明照片来展示探测器的功能，例如用于偏振探测器的纳米间隔金线和环形狭缝，证明了系统的灵敏度和分辨率。

图8 相机对太赫兹波的旋光测量

虽然研究人员表示，他们已经通过他们的新工作破解了太赫兹脉冲检测问题，但缺乏良好的来源仍然存在—并且正在由世界各地的许多研究小组进行研究。Nelson说，新研究中使用的太赫兹光源是一个庞大而笨重的激光器和光学设备阵列，不容易扩展到实际应用，但基于微电子技术的新光源正在开发中。

该论文的合著者，明尼苏达大学电气和计算机工程麦克奈特教授Sang-Hyun Oh补充说，用于该系统的CMOS相机的廉价性质使其成为“朝着构建实用的太赫兹相机迈出的一大步”。事实上，与现有的太赫兹探测器不同，整个太赫兹相机芯片可以使用当今的标准微芯片生产系统制造，这意味着最终大规模生产设备应该是可能的，而且相对便宜，商业化的潜力促使生产CMOS相机芯片和量子点器件的三星合作开展这项研究。

 

3. 虹科太赫兹相机方案

虹科TeraEyes-HV实时成像系统包括QCL源、光学系统与太赫兹相机，可实现高分辨全场实时成像，可用于无损检测、安检等诸多应用。其中高频段（2~5THz）太赫兹源基于量子级联激光器原理，具有250um的最优分辨率；太赫兹相机基于微测热辐射计芯片，阵列384×288×35um，每秒可采集50帧图像，搭配TeraLens高分辨率优化太赫兹成像镜头，工作距离与景深可调，满足多种应用场景。

除此以外，虹科还提供多阵列可选的微测热辐射计太赫兹相机，相应范围0.1-20THz，阵列从最低的160×120到最高百万像素。

 

参考文献

【1】Alan W M Lee,et al.“Real-time,continuous-wave terahertz imaging by use of a micro-bolometer focal-plane array”[J].Optics Letters,2005,30(19):2563-2565)

【2】Naoki Oda,et al.“Detection of terahertz radiation from quantum cascade laser,using vanadium oxide micro-bolometer focal plane arrays”[C].Proc.of SPIE,2008,6940:69402Y-1-6940Y-12

【3】Shi, J., Yoo, D., Vidal-Codina, F. et al. A room-temperature polarization-sensitive CMOS terahertz camera based on quantum-dot-enhanced terahertz-to-visible photon upconversion. Nat. Nanotechnol. (2022). 

【4】苟君. 基于氧化钒微测辐射热计的室温太赫兹探测器研究[D]. 电子科技大学.

审核编辑 黄昊宇