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

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

太赫茲輻射在電磁頻譜區域介于紅外光和微波之間。理論上，它具有廣泛的應用前景，比如安全檢查、醫療成像和工業質量控制。但是，產生和探測0.1到10 THz的電磁波輻射仍然是亟待突破的挑戰。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用領域，存在著多種競爭性太赫茲技術，但它們各有缺點。

圖2 太赫茲的頻譜區域

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？杜倫大學的Kevin Weatherill解釋說：“紙、塑料和布料等許多日常材料對于這個區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，對生物和醫療應用很安全，而且它的波長足夠短能夠實現高分辨率的成像。”

低速和噪音問題

目前已經開發出幾種太赫茲成像技術。有些系統利用單像素探測器，通過在物體上掃描太赫茲光束來創建圖像，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圖像。”

Weatherill和他的同事們所創建的太赫茲成像系統，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諧到銫原子三個連續躍遷能級中的一個。當這三個激光器連續激發時，銫原子最終處于高激發的“里德堡態”。原子躍遷到不同的里德堡態需要吸收0.55 THz的光子能量，不過大約一微秒后將發生衰變。衰變過程將釋放綠色光子，這種光子能夠被普通的光學相機探測。

太赫茲輻射在0.55 THz處顯現出尖銳的共振響應，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不同，該技術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。他們還在繼續優化他們的設備，并且相信從理論上采集數據的幀速率應該可以達到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。

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

美國布朗大學（Brown University）的Daniel Mittleman表示，這套成像系統最明顯的應用是在實驗室中：“像爆炸、沖擊波測試、固體的基礎物理研究以及某些快速、極端自然現象等，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。”

對于更多的商業應用，他預見創造實用型太赫茲器件將面臨諸多挑戰。“最終，將它們封裝好，然后拿到物理實驗室之外去使用應該會很有意思。如果應用僅限于基礎物理研究，那么這些挑戰就變得無關緊要了。如果想將它們應用到實驗室外的領域，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。”