麻省理工学院工程师开发了一种使用量子点的低成本太赫兹相机

新的太赫兹相机设备提供比以前版本更高的灵敏度和速度，可用于工业检查、机场安全和通信。

太赫兹辐射，也称为亚毫米辐射，其波长介于微波和可见光之间。它可以穿透许多非金属材料并检测某些分子的特征。这些方便的品质可用于广泛的应用，包括工业质量控制、机场安全扫描、材料的无损表征、天体物理观测以及带宽高于当前手机频段的无线通信。

然而，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。因此，大多数现有的太赫兹设备价格昂贵、缓慢、笨重，并且需要真空系统和极低的温度。

现在，麻省理工学院、明尼苏达大学和三星的研究人员已经开发出一种新型相机，可以在室温和压力下快速、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。

新系统使用称为量子点的粒子。最近发现，当受到太赫兹波的刺激时，它们具有发出可见光的能力。然后，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。该装置在11月3日发表在《自然纳米技术》杂志上的一篇论文中进行了描述，该论文由麻省理工学院博士生石焦建，化学教授Keith Nelson和其他12人描述。

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。

Nelson解释说，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，”他说。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。

CMOS相机用于捕获太赫兹光束的旋转

开发实用的太赫兹相机需要一个产生太赫兹波来照亮物体的组件，以及另一个检测它们的组件。在后一点上，目前的太赫兹探测器要么非常慢，因为它们依赖于检测波撞击材料产生的热量，并且热量传播缓慢，要么它们使用相对较快但灵敏度非常低的光电探测器。此外，到目前为止，大多数方法都需要一整套太赫兹探测器，每个探测器产生一个像素的图像。“每一个都非常昂贵，”Shi说，所以“一旦他们开始制造相机，探测器的成本就会开始非常非常迅速地扩大。

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 - 并且世界各地的许多研究小组正在研究。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，虽然目前版本的太赫兹相机售价数万美元，但用于该系统的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”。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。

Nelson说，这种波长的传统探测器在液氦温度（-452华氏度）下工作，这对于从背景噪声中挑选出太赫兹光子的极低能量是必要的。这种新设备可以在室温下用传统的可见光相机检测并生成这些波长的图像，这一事实对于在太赫兹场工作的人来说是出乎意料的而且是闻所未闻的。

研究人员说，有许多途径可以进一步提高新相机的灵敏度，包括组件的进一步小型化和保护量子点的方法。他们说，即使在目前的检测水平上，该设备也可能有一些潜在的应用。

就新设备的商业化潜力而言，尼尔森说，量子点现在价格低廉且容易获得，目前用于电视屏幕等消费产品。他说，相机设备的实际制造更加复杂，但也基于现有的微电子技术。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。

尽管摄像系统离商业化还很远，但麻省理工学院的研究人员在需要一种快速检测太赫兹辐射的方法时，一直在使用新的实验室设备。“我们没有昂贵的相机，”尼尔森说，“但我们有很多这样的小设备。人们只需将其中一个放在光束中，然后用眼睛观察可见光发射，这样他们就知道太赫兹光束何时打开。...人们发现它非常方便。

虽然太赫兹波原则上可以用来检测一些天体物理现象，但这些来源将非常弱，新设备无法捕获如此微弱的信号，该团队正在努力提高其灵敏度。所以它会更加敏感。