近日，電子科技大學太赫茲研究中心胡旻教授團隊與華中科技大學光電子國家實驗室李培寧教授團隊合作，成功開發革命性“太赫茲時域過濾納米成像技術（THz-TDF）”，并與浙江大學藝術與考古學院、藝術與考古圖像數據實驗室張暉教授團隊合作首次將其應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”發表于國際高水平期刊Nano Letters，揭示了該技術在納米光學中的應用潛力，特別是在古代藝術品顏料分析中取得的突破。電子科技大學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張暉教授為共同通訊作者，論文第一作者為胡旻團隊張曉秋艷博士后。該研究采用成都覓幾科技有限公司自主研發的太赫茲納米分辨近場系統。

近年來，太赫茲（THz）技術因其在生物傳感、安全篩查和信息通信等領域的巨大潛力而備受關注。傳統遠場成像技術受制于衍射極限，分辨率無法達到亞毫米級。對此，近場光學顯微鏡技術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光學特性。而THz波長較長，尖端和懸臂上產生的共振表面波會掩蓋樣品的固有近場響應并阻礙其進一步發展。在解決傳統太赫茲近場成像技術表面波干擾問題進程中，胡旻教授團隊完成創新性時域光譜技術開發，結合此時域光譜截斷技術，成功解決表面波干擾問題，實現超高分辨率太赫茲成像。

技術創新：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，廣泛應用于材料學、生命科學和通訊領域。傳統太赫茲納米光學技術常因探針表面波干擾而無法準確提取本征光譜特征，研究團隊首創的太赫茲時間域過濾納米成像技術，成功消除了由表面波引起的干擾（模擬與實驗如圖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驗時域近場信號；（c和d）模擬與實驗的不同懸臂長度下，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，研究團隊對一件明代彩塑的顏料樣品進行了深入分析，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，但其機理尚存很大爭議。研究首次實現古代彩繪顏料的太赫茲近場譜學成像，有助于在更小尺度觀察這些具有半導體性質的顏料如何在光照等條件下發生反應，從而更加精準地掌握顏料變色規律，為彩繪文物的預防性保護提供科學依據。該技術實現了200nm以下的空間分辨率，古代顏料樣品的納米成像結果如圖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圖像；（c）圖 b 中虛線框區域的掃描電子顯微鏡元素分布圖；（d和e）分別為圖c區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）。水平虛線標記了邊界，紅色和藍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納米成像的更多應用：金屬天線的光學研究

此外，研究團隊還利用太赫茲-TDF納米成像技術，對金屬天線的納米光學特性進行了研究。實驗結果表明，該技術能夠清晰區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行分析，研究人員發現天線長度的增加會導致共振頻率的紅移現象，與數值模擬結果高度一致，展示了該技術在納米光子學研究中的潛力（模擬與實驗結果如圖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）頻率的實驗（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部（f）與虛部（h），揭示了天線長度變化導致的共振頻移；（g和i）模擬展示了與實驗一致的光譜結果。

未來展望：推動太赫茲納米光學技術發展

未來，通過將太赫茲發射與探測技術直接集成到探針中，有望實現更小型化、更高效的納米成像系統。該技術將在量子材料、納米光子學和文物保護等領域提供強大的支持，推動太赫茲納米光學技術向更廣泛的應用場景發展。