近日，電子科技大學(xué)太赫茲研究中心胡旻教授團(tuán)隊與華中科技大學(xué)光電子國家實(shí)驗(yàn)室李培寧教授團(tuán)隊合作，成功開發(fā)革命性“太赫茲時域過濾納米成像技術(shù)（THz-TDF）”，并與浙江大學(xué)藝術(shù)與考古學(xué)院、藝術(shù)與考古圖像數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)室張暉教授團(tuán)隊合作首次將其應(yīng)用于古代彩繪顏料的納米級光譜分析。研究成果以題為“Time-domain-filtered terahertz nanoscopy of intrinsic light-matter interactions”發(fā)表于國際高水平期刊Nano Letters，揭示了該技術(shù)在納米光學(xué)中的應(yīng)用潛力，特別是在古代藝術(shù)品顏料分析中取得的突破。電子科技大學(xué)為論文第一作者單位，胡旻教授為通訊作者，華中科大李培寧教授和浙江大學(xué)張暉教授為共同通訊作者，論文第一作者為胡旻團(tuán)隊張曉秋艷博士后。該研究采用成都覓幾科技有限公司自主研發(fā)的太赫茲納米分辨近場系統(tǒng)。

近年來，太赫茲（THz）技術(shù)因其在生物傳感、安全篩查和信息通信等領(lǐng)域的巨大潛力而備受關(guān)注。傳統(tǒng)遠(yuǎn)場成像技術(shù)受制于衍射極限，分辨率無法達(dá)到亞毫米級。對此，近場光學(xué)顯微鏡技術(shù)通過金屬化尖端將入射的THz波聚焦到納米級體積，從而探測納米尺度下THz光學(xué)特性。而THz波長較長，尖端和懸臂上產(chǎn)生的共振表面波會掩蓋樣品的固有近場響應(yīng)并阻礙其進(jìn)一步發(fā)展。在解決傳統(tǒng)太赫茲近場成像技術(shù)表面波干擾問題進(jìn)程中，胡旻教授團(tuán)隊完成創(chuàng)新性時域光譜技術(shù)開發(fā)，結(jié)合此時域光譜截斷技術(shù)，成功解決表面波干擾問題，實(shí)現(xiàn)超高分辨率太赫茲成像。

技術(shù)創(chuàng)新：突破表面波干擾，提供高分辨率納米光譜

太赫茲波覆蓋了多個重要材料的特征光譜，廣泛應(yīng)用于材料學(xué)、生命科學(xué)和通訊領(lǐng)域。傳統(tǒng)太赫茲納米光學(xué)技術(shù)常因探針表面波干擾而無法準(zhǔn)確提取本征光譜特征，研究團(tuán)隊首創(chuàng)的太赫茲時間域過濾納米成像技術(shù)，成功消除了由表面波引起的干擾（模擬與實(shí)驗(yàn)如圖1所示），太赫茲納米光譜的精確度和分辨率得以顯著提升。

　　圖1 (a) THz-TDF納米成像原理示意圖；(b) 不同懸臂長度探針的模擬和實(shí)驗(yàn)時域近場信號；（c和d）模擬與實(shí)驗(yàn)的不同懸臂長度下，未處理和處理后的硅基底近場光譜。

古代彩繪顏料的納米級光譜揭示：辨析朱砂與鉛丹顏料

利用這一技術(shù)，研究團(tuán)隊對一件明代彩塑的顏料樣品進(jìn)行了深入分析，成功鑒別了朱砂（α-HgS）與鉛丹（Pb?O?）顏料的納米級振動特性，揭示了在1.125THz的頻率下，僅有朱砂具有顯著的振動共振特征。朱砂和鉛丹是古代常用的彩繪顏料，在外界條件影響下可能變色，但其機(jī)理尚存很大爭議。研究首次實(shí)現(xiàn)古代彩繪顏料的太赫茲近場譜學(xué)成像，有助于在更小尺度觀察這些具有半導(dǎo)體性質(zhì)的顏料如何在光照等條件下發(fā)生反應(yīng)，從而更加精準(zhǔn)地掌握顏料變色規(guī)律，為彩繪文物的預(yù)防性保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了200nm以下的空間分辨率，古代顏料樣品的納米成像結(jié)果如圖2所示。

　　圖2 明代彩塑顏料樣品的THz-TDF高光譜納米成像。（a）明代彩塑照片；（b）從彩塑中提取的顏料樣品的光學(xué)圖像；（c）圖 b 中虛線框區(qū)域的掃描電子顯微鏡元素分布圖；（d和e）分別為圖c區(qū)域的表面形貌圖和太赫茲近場白光成像；（f）太赫茲高光譜納米成像的示意圖；（g和h）不同頻率的太赫茲近場振幅（g）和相位（h）成像；（i和j）在1.125 THz（i）和0.9 THz（j）下的太赫茲近場相位成像；（k和l）在 i 圖虛線白線位置記錄的近場光譜的振幅（k）和相位（l）。水平虛線標(biāo)記了邊界，紅色和藍(lán)色虛線曲線分別表示朱砂和紅鉛的代表性近場光譜。

太赫茲-TDF納米成像的更多應(yīng)用：金屬天線的光學(xué)研究

此外，研究團(tuán)隊還利用太赫茲-TDF納米成像技術(shù)，對金屬天線的納米光學(xué)特性進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)能夠清晰區(qū)分不同長度的金屬天線的共振頻率變化，并成功揭示了天線的偶極共振模式。通過對38μm至86μm不同長度的金屬天線進(jìn)行分析，研究人員發(fā)現(xiàn)天線長度的增加會導(dǎo)致共振頻率的紅移現(xiàn)象，與數(shù)值模擬結(jié)果高度一致，展示了該技術(shù)在納米光子學(xué)研究中的潛力（模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示）。

　　圖3 THz-TDF測量的單個金屬天線的納米光譜。（a）金屬天線的近場測量示意圖；（b）50μm金屬天線的表面形貌圖（左）和近場白光圖像（右）；（c）金屬天線的近場光譜；（d和e）0.86THz（左）與0.6THz（右）頻率的實(shí)驗(yàn)（d）與模擬（e）的金屬天線成像；（f和h）不同長度（38μm至86μm）金屬天線的近場光譜實(shí)部（f）與虛部（h），揭示了天線長度變化導(dǎo)致的共振頻移；（g和i）模擬展示了與實(shí)驗(yàn)一致的光譜結(jié)果。

未來展望：推動太赫茲納米光學(xué)技術(shù)發(fā)展

未來，通過將太赫茲發(fā)射與探測技術(shù)直接集成到探針中，有望實(shí)現(xiàn)更小型化、更高效的納米成像系統(tǒng)。該技術(shù)將在量子材料、納米光子學(xué)和文物保護(hù)等領(lǐng)域提供強(qiáng)大的支持，推動太赫茲納米光學(xué)技術(shù)向更廣泛的應(yīng)用場景發(fā)展。