OEA封面 | 基于像素化BIC超表面的太赫兹单次成像和分布式传感【南方科技大学联合上海交通大学团队】

太赫兹(THz)因其低光子能量、超宽带以及丰富的指纹谱信息，在化学成分识别、材料表征、安全检测和高速无线通信等领域展现出重要应用潜力。在诸多应用中，成像技术在揭示目标内部或表面不可见特征方面发挥着关键作用，例如半导体缺陷检测和违禁品的无损识别。然而，由于太赫兹波段缺乏类似可见光CCD的大面积探测阵列，现有THz成像系统多依赖逐点扫描或计算成像方法，成像效率低、实时性受限。

目前高性能THz探测器通常体积庞大、成本高昂，且不利于大规模集成。虽然计算成像可通过空间调制太赫兹波束并结合压缩感知算法实现图像重建，避免了大规模探测阵列的需求，但该方法需要投射大量调制图案并进行多次迭代计算，成像帧率较低，难以满足实时成像需求，且通常只能恢复有限的强度或二值信息，难以同时获取材料介电常数或相位等光学参数。

为应对上述挑战，南方科技大学丛龙庆副教授联合上海交通大学团队提出一种利用像素化BIC超表面的THz集成成像和传感(ISAI)方法。该团队通过异质集成和深硅刻蚀等微纳加工工艺，制备出2 pixel×2 pixel像素化超表面。像素化BIC超表面通过高Q的窄带谐振，构建超表面像素空间位置与谐振频率的映射关系。在空间调制的太赫兹结构光场照射下，成像物体的特征信号在一次THz脉冲中完成采集。整个成像过程采用全光学并行处理，目标引起的共振强度变化被直接映射为空间像素信息，从而实现无需机械扫描与复杂计算的单脉冲太赫兹单次成像。像素化超表面同时充当空间与光谱调制器，通过追踪携带空间编码信息的共振频率，能够恢复分析物折射率的空间分布，其工作机制与成像过程相同。在分布式传感中，该工作验证了0.05 RIU的折射率分辨能力。

以往的太赫兹成像方法通常依赖算法或深度学习进行增强，并在图像重建过程中高度依赖有源硬件、空间光调制器或机械式逐点扫描。这类有源组件不仅引入额外的不稳定性和噪声，还由于其顺序式工作方式显著增加了成像时间成本。相较于其他前沿技术，该工作提出的方案将传感与成像功能集成于一个结构紧凑、可与商用太赫兹时域光谱系统兼容的平台中。该方案无需高功率泵浦光束、复杂光路、外部驱动器件或体积庞大的机械结构，从而大幅简化了系统架构。在概念验证实验中，该方法在二值成像中实现了100%的识别准确率以及不规则隐藏物体成像，并在分布式传感中获得了高于14.39 GHz/RIU的灵敏度。该方案在实时集成感知与成像应用中具有显著潜力，尤其适用于新一代安全检查和质量检测等场景，在这些应用中，太赫兹辐射的无损探测与强穿透特性能够得到充分发挥。

该工作以“Pixelated BIC metasurfaces for terahertz integrated sensing and imaging”为题作为封面文章发表在Opto-Electronic Advances 2026年第3期。

图1 太赫兹单次成像原理图