倾听太赫兹波

南开大学现代光学研究所 2023年9月18日

太赫兹(THz)波在材料性能研究、人体安检、下一代无线通信以及医学成像中发挥着重要作用。室温、宽带和高速太赫兹探测器在太赫兹生物医学诊断中是必不可少的，例如使用太赫兹脉冲成像技术(TPI)或太赫兹相干断层扫描技术(TCT)评估皮肤病变和肿瘤边缘[Trends biotechnology 34，810 (2016)；Opt. Express 24，1053 (2016)]以及利用高速太赫兹光谱技术研究蛋白质折叠动力学[Drug Invent. Today 5, 157 (2013)]等。

图1 石墨烯泡沫光热声太赫兹探测器

近日，南开大学现代光学研究所刘伟伟教授团队与化学学院陈永胜教授团队合作提出了基于光热声效应（PTA）的石墨烯泡沫太赫兹波探测方法：利用石墨烯泡沫将THz电磁波转化为可听声波，从而利用麦克风测量THz波。该探测方法不仅继承了光热THz探测器可实现室温和宽带探测的优点，而且响应时间比光热THz探测器快3个数量级。与基于石墨烯的太赫兹探测器相比，本研究中使用的石墨烯泡沫具有厘米尺度的三维尺寸，与太赫兹波横截面尺寸相匹配，从而在太赫兹波段达到~90%的吸收率，响应度超过100 V/W。石墨烯泡沫材料优异的光热声转换效率和先进的可听声波测量技术，使本研究提出的PTA太赫兹探测器同时具有室温、宽带（太赫兹波-可见光）和快速探测（>10 kHz）能力，且无需制造微电极/天线，简化了探测器的设计，降低了成本。

图2 利用石墨烯泡沫光热声探测器测量双色场成丝太赫兹脉冲的频谱。A）实验装置图；B)太赫兹脉冲的一阶自相关曲线；C）太赫兹脉冲频谱。

2023年6月，相关成果以“Detecting terahertz wave by microphone based on the photoacoustic effect in graphene foam”为题，发表在国际知名期刊《Nanophotonics》。南开大学现代光学研究所教授刘伟伟及化学学院教授陈永胜为通讯作者。南开大学现代光学研究所副研究员张楠及南开大学现代光学研究所博士研究生王婷媛为本文第一作者。

论文地址：

http://dx.doi.org/10.1515/nanoph-2023-0026