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太赫兹频段电磁能量的应用场景正不断拓展，但高效产生与探测技术仍存在瓶颈，因此该领域成为当前的研究热点。太赫兹频段通常指 0.1-10 太赫兹（100-10000 吉赫兹），位于传统微波 / 毫米波与光谱之间，占据广阔的带宽范围。受技术与物理特性限制，该频段适用的元件与电路研发一直进展缓慢。

尽管存在技术障碍，太赫兹频段相关项目仍吸引了大量研发投入与产品关注。太赫兹电磁能量能够穿透塑料、纸张、纺织品等多种非金属材料，同时会被水与有机物吸收，这使其成为无创、安全的成像、生物分子传感、扫描等技术的理想选择。

如今，光学领域的多项技术与方法也开始 “跨界” 应用于太赫兹领域，并为其发展提供助力。

量子天线技术突破

然而，弱信号与窄带太赫兹信号的精准探测难度较大。目前，波兰华沙大学新技术中心物理学院与量子光学技术中心的研究团队，提出了一种基于 “量子天线” 的新型太赫兹信号测量方法，可实现对难探测太赫兹信号的精准捕捉。

该团队采用一种基于里德伯原子（Rydberg atoms）的新型单光子探测器，既能探测太赫兹辐射，又能在一个倍频程范围内校准太赫兹频率梳，分辨率达到兆赫兹级别。研究人员创新性地设计了无线电波探测方案，不仅能感知太赫兹辐射，还能在目标光谱范围内精准校准频率梳。

里德伯原子的特性

里德伯原子是指其中一个电子被激发至极高能级（主量子数 n）的原子，其尺寸可达微米级，对电场极为敏感，且具有强相互作用特性。该原子以首次表征其特性的瑞典光谱学家 J.R. 里德伯命名，其行为类似 “巨型氢原子”，特性被显著放大，广泛应用于量子传感与量子计算领域。

光学频率梳的应用已较为成熟，为高精度光学测量与频率计量等领域提供了核心支撑。作为光学领域的革命性技术（“革命性” 一词虽不应随意使用，但在此处恰如其分），光学频率梳已成为原子钟、光谱学等领域精准测量的标准工具 —— 其开发者也因此获得了 2005 年诺贝尔物理学奖。

如今，能够产生电磁频率梳的脉冲太赫兹源应运而生，成为解决太赫兹（非光学）频段测量难题的有力工具。这种新方法结合了两项关键技术：一是奥特勒 - 汤斯分裂（Autler-Townes splitting）测量法，可通过绝对单位精准测定太赫兹电场强度；二是微波 - 光转换技术，能将探测灵敏度提升至热辐射级别。

奥特勒 - 汤斯分裂测量法

奥特勒 - 汤斯（AT）分裂测量法通过强耦合激光分裂原子或量子系统的能级，形成 “双重态”，其频率间隔（即 AT 分裂）与电场强度或拉比频率成正比。（拉比频率是指在振荡电磁场中，两个原子能级的概率振幅波动频率，与两能级的跃迁偶极矩及电磁场振幅成正比。）

为实现这一目标，研究团队将铷原子气体制备为里德伯态。这些 “膨胀” 的原子如同量子天线，对外部电场具有极高灵敏度。此外，通过使用可调谐激光，探测器可在宽至太赫兹波的范围内，针对性响应某一特定频率。

毫不意外，太赫兹波的校准与测量验证一直是行业难题。而利用奥特勒 - 汤斯分裂测量电场的核心优势在于，测量结果仅依赖原子基本常数，可实现绝对校准读数。与需要在专业无线电实验室进行繁琐校准的传统天线不同，这种基于原子的系统本质上可作为自身的校准标准。

太赫兹 - 光混合转换技术：实现极致灵敏度

然而，这种核心方法存在一个局限：其自身灵敏度不足以探测极弱的太赫兹信号。为解决这一问题，研究团队额外采用了华沙大学发明的无线电波 - 光转换技术，并针对太赫兹辐射的特性进行了适配优化。

在该过程中，弱太赫兹信号被转换为光子，随后可通过单光子计数器进行超高灵敏度探测。这种混合方案是成功的关键 —— 它既融合了光子探测的极致灵敏度，又保留了奥特勒 - 汤斯方法的校准能力，即便对极弱信号也同样适用。

基于里德伯原子的传感器具备精准校准频率梳所需的全部特性：可调谐至频率梳的单个 “齿”，再依次调谐至下一个 “齿”，以此类推。研究人员通过这种方式，在极宽的频率范围内成功观测到数十个频率梳 “齿”。此外，借助原子基本特性的已知数据，研究团队直接对频率梳进行校准，精准测定了其强度。

正如预期，该实验装置极为复杂（见图 1）。

1.（a）太赫兹频率梳信号校准与探测装置的简化示意图。可移除金属反射镜用于切换信号源；TRA 光束配备倾斜偏振器以消除反射，HWP+POL 组件设置两组以提高衰减效果。（b）场与态跃迁的能级图，助力将不同探测频率附近的信号转换为 776 纳米的输出光信号。目标太赫兹信号频率分别为 0.125、0.160、0.182 和 0.242 太赫兹。[TRA：置于射频吸收盒中的汽车雷达芯片；HWP：半波片；QWP：四分之一波片；PD：光电二极管；PM：抛物面反射镜；PCA：光电导天线；POL：偏振器；DM：二向色镜；SF：光谱滤波器]

该装置有两个值得关注的设计亮点：

• 校准参考采用市售标准汽车雷达芯片 ——Indie Semiconductor 的 TRA_120_045。这是创新者灵活运用看似无关领域的低成本商用器件的典型案例，无需自行研发或 “重复造轮子”，既加快了项目进度，又减少了潜在问题。

• 采用商用光电导天线（PCA）——BATOP iPCA-21-05-300-800-h。这是一款大面积叉指型砷化镓吸收体光电导太赫兹天线，配备微透镜阵列，在飞秒激光脉冲激发下可发射太赫兹脉冲。

评估该研究成果的角度有很多，图 2 展示了在 125 吉赫兹附近，通过扫描解耦激光实现的频率梳可调谐宽带读数。

2.  通过扫描解耦激光，实现 125 吉赫兹附近频率梳的可调谐宽带读数。图中已扣除热光子信号，并在探测器线性响应的假设下，对频率梳的理论预测结果进行了拟合。

有关该装置的详细结构与技术细节，可参考研究团队发表的论文《利用里德伯原子进行太赫兹频率梳的电场计量》（Electric-field metrology of a terahertz frequency comb using Rydberg atoms）。这篇论文技术含量高但可读性较强，涵盖了相关原理（包括光学、太赫兹、射频物理及数学原理）、实现方案与实验结果。

关键词： 太赫兹 信号测量 量子天线 里德伯原子