近日，电子科技大学太赫兹研究中心胡旻教授团队与华中科技大学光电子国家实验室李培宁教授团队合作，成功开发革命性“太赫兹时域过滤纳米成像技术（THz-TDF）”，并与浙江大学艺术与考古学院、艺术与考古图像数据实验室张晖教授团队合作首次将其应用于古代彩绘颜料的纳米级光谱分析。研究成果以题为“Time-domain-filtered terahertz nanoscopy of intrinsic light-matter interactions”发表于国际高水平期刊Nano Letters，揭示了该技术在纳米光学中的应用潜力，特别是在古代艺术品颜料分析中取得的突破。电子科技大学为论文第一作者单位，胡旻教授为通讯作者，华中科大李培宁教授和浙江大学张晖教授为共同通讯作者，论文第一作者为胡旻团队张晓秋艳博士后。该研究采用成都觅几科技有限公司自主研发的太赫兹纳米分辨近场系统。
近年来，太赫兹（THz）技术因其在生物传感、安全筛查和信息通信等领域的巨大潜力而备受关注。传统远场成像技术受制于衍射极限，分辨率无法达到亚毫米级。对此，近场光学显微镜技术通过金属化尖端将入射的THz波聚焦到纳米级体积，从而探测纳米尺度下THz光学特性。而THz波长较长，尖端和悬臂上产生的共振表面波会掩盖样品的固有近场响应并阻碍其进一步发展。在解决传统太赫兹近场成像技术表面波干扰问题进程中，胡旻教授团队完成创新性时域光谱技术开发，结合此时域光谱截断技术，成功解决表面波干扰问题，实现超高分辨率太赫兹成像。
技术创新：突破表面波干扰，提供高分辨率纳米光谱
太赫兹波覆盖了多个重要材料的特征光谱，广泛应用于材料学、生命科学和通讯领域。传统太赫兹纳米光学技术常因探针表面波干扰而无法准确提取本征光谱特征，研究团队首创的太赫兹时间域过滤纳米成像技术，成功消除了由表面波引起的干扰（模拟与实验如图1所示），太赫兹纳米光谱的精确度和分辨率得以显著提升。
图1 (a) THz-TDF纳米成像原理示意图；(b) 不同悬臂长度探针的模拟和实验时域近场信号；（c和d）模拟与实验的不同悬臂长度下，未处理和处理后的硅基底近场光谱。
古代彩绘颜料的纳米级光谱揭示：辨析朱砂与铅丹颜料
利用这一技术，研究团队对一件明代彩塑的颜料样品进行了深入分析，成功鉴别了朱砂（α-HgS）与铅丹（Pb₃O₄）颜料的纳米级振动特性，揭示了在1.125THz的频率下，仅有朱砂具有显著的振动共振特征。朱砂和铅丹是古代常用的彩绘颜料，在外界条件影响下可能变色，但其机理尚存很大争议。研究首次实现古代彩绘颜料的太赫兹近场谱学成像，有助于在更小尺度观察这些具有半导体性质的颜料如何在光照等条件下发生反应，从而更加精准地掌握颜料变色规律，为彩绘文物的预防性保护提供科学依据。该技术实现了200nm以下的空间分辨率，古代颜料样品的纳米成像结果如图2所示。
图2 明代彩塑颜料样品的THz-TDF高光谱纳米成像。（a）明代彩塑照片；（b）从彩塑中提取的颜料样品的光学图像；（c）图 b 中虚线框区域的扫描电子显微镜元素分布图；（d和e）分别为图c区域的表面形貌图和太赫兹近场白光成像；（f）太赫兹高光谱纳米成像的示意图；（g和h）不同频率的太赫兹近场振幅（g）和相位（h）成像；（i和j）在1.125 THz（i）和0.9 THz（j）下的太赫兹近场相位成像；（k和l）在 i 图虚线白线位置记录的近场光谱的振幅（k）和相位（l）。水平虚线标记了边界，红色和蓝色虚线曲线分别表示朱砂和红铅的代表性近场光谱。
太赫兹-TDF纳米成像的更多应用：金属天线的光学研究
此外，研究团队还利用太赫兹-TDF纳米成像技术，对金属天线的纳米光学特性进行了研究。实验结果表明，该技术能够清晰区分不同长度的金属天线的共振频率变化，并成功揭示了天线的偶极共振模式。通过对38μm至86μm不同长度的金属天线进行分析，研究人员发现天线长度的增加会导致共振频率的红移现象，与数值模拟结果高度一致，展示了该技术在纳米光子学研究中的潜力（模拟与实验结果如图3所示）。
图3 THz-TDF测量的单个金属天线的纳米光谱。（a）金属天线的近场测量示意图；（b）50μm金属天线的表面形貌图（左）和近场白光图像（右）；（c）金属天线的近场光谱；（d和e）0.86THz（左）与0.6THz（右）频率的实验（d）与模拟（e）的金属天线成像；（f和h）不同长度（38μm至86μm）金属天线的近场光谱实部（f）与虚部（h），揭示了天线长度变化导致的共振频移；（g和i）模拟展示了与实验一致的光谱结果。
未来展望：推动太赫兹纳米光学技术发展
未来，通过将太赫兹发射与探测技术直接集成到探针中，有望实现更小型化、更高效的纳米成像系统。该技术将在量子材料、纳米光子学和文物保护等领域提供强大的支持，推动太赫兹纳米光学技术向更广泛的应用场景发展。
