太赫茲頻段電磁能量的應用場景正不斷拓展，但高效產(chǎn)生與探測技術仍存在瓶頸，因此該領域成為當前的研究熱點。太赫茲頻段通常指 0.1-10 太赫茲（100-10000 吉赫茲），位于傳統(tǒng)微波 / 毫米波與光譜之間，占據(jù)廣闊的帶寬范圍。受技術與物理特性限制，該頻段適用的元件與電路研發(fā)一直進展緩慢。

盡管存在技術障礙，太赫茲頻段相關項目仍吸引了大量研發(fā)投入與產(chǎn)品關注。太赫茲電磁能量能夠穿透塑料、紙張、紡織品等多種非金屬材料，同時會被水與有機物吸收，這使其成為無創(chuàng)、安全的成像、生物分子傳感、掃描等技術的理想選擇。

如今，光學領域的多項技術與方法也開始 “跨界” 應用于太赫茲領域，并為其發(fā)展提供助力。

量子天線技術突破

然而，弱信號與窄帶太赫茲信號的精準探測難度較大。目前，波蘭華沙大學新技術中心物理學院與量子光學技術中心的研究團隊，提出了一種基于 “量子天線” 的新型太赫茲信號測量方法，可實現(xiàn)對難探測太赫茲信號的精準捕捉。

該團隊采用一種基于里德伯原子（Rydberg atoms）的新型單光子探測器，既能探測太赫茲輻射，又能在一個倍頻程范圍內(nèi)校準太赫茲頻率梳，分辨率達到兆赫茲級別。研究人員創(chuàng)新性地設計了無線電波探測方案，不僅能感知太赫茲輻射，還能在目標光譜范圍內(nèi)精準校準頻率梳。

里德伯原子的特性

里德伯原子是指其中一個電子被激發(fā)至極高能級（主量子數(shù) n）的原子，其尺寸可達微米級，對電場極為敏感，且具有強相互作用特性。該原子以首次表征其特性的瑞典光譜學家 J.R. 里德伯命名，其行為類似 “巨型氫原子”，特性被顯著放大，廣泛應用于量子傳感與量子計算領域。

光學頻率梳的應用已較為成熟，為高精度光學測量與頻率計量等領域提供了核心支撐。作為光學領域的革命性技術（“革命性” 一詞雖不應隨意使用，但在此處恰如其分），光學頻率梳已成為原子鐘、光譜學等領域精準測量的標準工具 —— 其開發(fā)者也因此獲得了 2005 年諾貝爾物理學獎。

如今，能夠產(chǎn)生電磁頻率梳的脈沖太赫茲源應運而生，成為解決太赫茲（非光學）頻段測量難題的有力工具。這種新方法結(jié)合了兩項關鍵技術：一是奧特勒 - 湯斯分裂（Autler-Townes splitting）測量法，可通過絕對單位精準測定太赫茲電場強度；二是微波 - 光轉(zhuǎn)換技術，能將探測靈敏度提升至熱輻射級別。

奧特勒 - 湯斯分裂測量法

奧特勒 - 湯斯（AT）分裂測量法通過強耦合激光分裂原子或量子系統(tǒng)的能級，形成 “雙重態(tài)”，其頻率間隔（即 AT 分裂）與電場強度或拉比頻率成正比。（拉比頻率是指在振蕩電磁場中，兩個原子能級的概率振幅波動頻率，與兩能級的躍遷偶極矩及電磁場振幅成正比。）

為實現(xiàn)這一目標，研究團隊將銣原子氣體制備為里德伯態(tài)。這些 “膨脹” 的原子如同量子天線，對外部電場具有極高靈敏度。此外，通過使用可調(diào)諧激光，探測器可在寬至太赫茲波的范圍內(nèi)，針對性響應某一特定頻率。

毫不意外，太赫茲波的校準與測量驗證一直是行業(yè)難題。而利用奧特勒 - 湯斯分裂測量電場的核心優(yōu)勢在于，測量結(jié)果僅依賴原子基本常數(shù)，可實現(xiàn)絕對校準讀數(shù)。與需要在專業(yè)無線電實驗室進行繁瑣校準的傳統(tǒng)天線不同，這種基于原子的系統(tǒng)本質(zhì)上可作為自身的校準標準。

太赫茲 - 光混合轉(zhuǎn)換技術：實現(xiàn)極致靈敏度

然而，這種核心方法存在一個局限：其自身靈敏度不足以探測極弱的太赫茲信號。為解決這一問題，研究團隊額外采用了華沙大學發(fā)明的無線電波 - 光轉(zhuǎn)換技術，并針對太赫茲輻射的特性進行了適配優(yōu)化。

在該過程中，弱太赫茲信號被轉(zhuǎn)換為光子，隨后可通過單光子計數(shù)器進行超高靈敏度探測。這種混合方案是成功的關鍵 —— 它既融合了光子探測的極致靈敏度，又保留了奧特勒 - 湯斯方法的校準能力，即便對極弱信號也同樣適用。

基于里德伯原子的傳感器具備精準校準頻率梳所需的全部特性：可調(diào)諧至頻率梳的單個 “齒”，再依次調(diào)諧至下一個 “齒”，以此類推。研究人員通過這種方式，在極寬的頻率范圍內(nèi)成功觀測到數(shù)十個頻率梳 “齒”。此外，借助原子基本特性的已知數(shù)據(jù)，研究團隊直接對頻率梳進行校準，精準測定了其強度。

正如預期，該實驗裝置極為復雜（見圖 1）。

1.（a）太赫茲頻率梳信號校準與探測裝置的簡化示意圖。可移除金屬反射鏡用于切換信號源；TRA 光束配備傾斜偏振器以消除反射，HWP+POL 組件設置兩組以提高衰減效果。（b）場與態(tài)躍遷的能級圖，助力將不同探測頻率附近的信號轉(zhuǎn)換為 776 納米的輸出光信號。目標太赫茲信號頻率分別為 0.125、0.160、0.182 和 0.242 太赫茲。[TRA：置于射頻吸收盒中的汽車雷達芯片；HWP：半波片；QWP：四分之一波片；PD：光電二極管；PM：拋物面反射鏡；PCA：光電導天線；POL：偏振器；DM：二向色鏡；SF：光譜濾波器]

該裝置有兩個值得關注的設計亮點：

• 校準參考采用市售標準汽車雷達芯片 ——Indie Semiconductor 的 TRA_120_045。這是創(chuàng)新者靈活運用看似無關領域的低成本商用器件的典型案例，無需自行研發(fā)或 “重復造輪子”，既加快了項目進度，又減少了潛在問題。

• 采用商用光電導天線（PCA）——BATOP iPCA-21-05-300-800-h。這是一款大面積叉指型砷化鎵吸收體光電導太赫茲天線，配備微透鏡陣列，在飛秒激光脈沖激發(fā)下可發(fā)射太赫茲脈沖。

評估該研究成果的角度有很多，圖 2 展示了在 125 吉赫茲附近，通過掃描解耦激光實現(xiàn)的頻率梳可調(diào)諧寬帶讀數(shù)。

2.  通過掃描解耦激光，實現(xiàn) 125 吉赫茲附近頻率梳的可調(diào)諧寬帶讀數(shù)。圖中已扣除熱光子信號，并在探測器線性響應的假設下，對頻率梳的理論預測結(jié)果進行了擬合。

有關該裝置的詳細結(jié)構(gòu)與技術細節(jié)，可參考研究團隊發(fā)表的論文《利用里德伯原子進行太赫茲頻率梳的電場計量》（Electric-field metrology of a terahertz frequency comb using Rydberg atoms）。這篇論文技術含量高但可讀性較強，涵蓋了相關原理（包括光學、太赫茲、射頻物理及數(shù)學原理）、實現(xiàn)方案與實驗結(jié)果。