来源：中国激光杂志社 Chinese Optics Letters

    主编导读

    痕量分子检测的灵敏度，长期受困于材料固有损耗这一“隐形天花板”——传统方法引入增益介质补偿损耗，却往往带来额外噪声。上海理工大学庄松林院士团队程庆庆教授与合作者，在Chinese Optics Letters 2026年第2期发表的研究中，给出了一个巧妙的解决方案。

    研究团队利用合成复频波（CFW）激发技术，在太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统中引入“虚拟增益”，成功补偿了水蒸气分子的固有损耗，显著增强了特征吸收峰的检测灵敏度。关键在于，该方法作用于包含相位信息的频域信号，使虚拟增益在不放大噪声的前提下精准放大分子振动指纹信号。这一突破为微量分子的高灵敏识别提供了全新思路，在不牺牲系统稳定性的前提下突破了灵敏度瓶颈。

    Chinese Optics Letters 编辑部诚挚推荐这项融合物理机理创新与应用前景的优秀工作。

    ——执行主编 肖淑敏

    Chinese Optics Letters 2026年第2期

Zhiqiang Wu, Siqi Peng, Yuntao Wu, Xiaofei Liu, Min Li, Xuru Jin, Guifang Wang, Songlin Zhuang, and Qingqing Cheng, "Synthesized complex-frequency excitation for enhanced terahertz time-domain spectroscopy sensitivity," Chin. Opt. Lett. 24, 023001- (2026)

    该研究以打破痕量分子检测中的灵敏度限制为目标，研究了基于合成复频波激发的太赫兹时域光谱检测技术。在不同相互作用距离的条件下，利用该技术有效抵消了水蒸气分子的固有能量耗散，显著放大了微弱的分子振动指纹信号，为太赫兹波段的分子精准识别提供了重要的技术探索与储备。

    太赫兹时域光谱技术凭借其无标签和非破坏性的评估能力，以及能够提取介电常数和吸收系数等材料特性的优势，在环境监测、食品安全和公共卫生等领域发挥着有效检测工具的作用。然而，在实际检测中，分子材料内部的固有损耗会严重削弱分子振动模式与太赫兹电磁场之间的相互作用，这成为了限制THz-TDS技术在微量分子检测中提升灵敏度的关键瓶颈。目前，为了补偿这种固有损耗，传统方法通常尝试引入额外的光学增益材料。但在实际应用中，这种方式往往会增加系统的不稳定性和额外噪声，阻碍了对微量分子的精确检测。相比之下，具有时间衰减特性的复频波能够为系统提供虚拟增益，有效补偿系统固有损耗带来的信息丢失，同时避免了引入实体增益材料所带来的噪声问题。

    为解决上述问题，上海理工大学庄松林院士团队及相关合作团队提出了一种利用合成复频波激发来增强太赫兹时域光谱灵敏度的方法，进行了太赫兹频段水蒸气分子的检测实验，验证了虚拟增益在补偿固有损耗方面的巨大优势。相关成果发表在Chinese Optics Letters 2026年第24卷第2期。

    在真实的光学系统中，直接激发并控制具有时间衰减特性的复频波依然面临着极大的挑战。为此，研究团队采用了一种创新的多频合成策略。其核心物理机制在于：时域中的截断复频波经傅里叶变换后，在频域内呈现出洛伦兹线型分布。由此，复频激发下的时域场可被视为多个实频波的相干叠加。在这一理论框架下，团队将实验获取的离散实频光学响应，通过遵循洛伦兹线型进行精确的数值加权，等效地重构出系统达到准稳态后的复频光学响应。在理论验证阶段，团队基于Drude-Lorentz色散模型，对具有不同阻尼率的分子材料进行了数值仿真。结果证实，合成复频波引入的“虚拟增益”能够有效抵消材料的本征阻尼，使原本因能量耗散而严重展宽、重叠的分子吸收峰，重新恢复出清晰的劈裂特征。

    在实验验证环节，研究团队利用THz-TDS系统，分别在15 cm和20 cm的相互作用距离下，对水蒸气分子进行了高精度的光谱探测。研究揭示了一个关键的物理规律：若仅对缺失相位信息的吸收光谱直接施加合成复频激发，并不能有效引入虚拟增益来补偿固有损耗。这是由于多频合成复频波的本质是物理场复振幅的相干叠加。因此，该方法的核心在于，必须将多频合成算子精准作用于包含完整时空相位信息的频域电场响应信号上。实验结果证实，经过此严格的相干处理后，水蒸气分子原本微弱的特征吸收峰获得了显著增强，能够有效提取出太赫兹波段内的分子振动指纹信号。

    传统引入光学增益介质的方法往往不可避免地引入噪声及不稳定性，而合成CFW展现出了卓越的“信噪解耦”能力。通过差分光谱分析可以清晰地观察到，合成CFW引入的虚拟增益显著放大了水分子的振动特征峰；但由于随机的背景噪声与太赫兹电磁场之间不存在物理耦合机制，虚拟增益并不会对噪声产生放大效应。此外，团队通过优化频率采样范围与缩小频率间隔，可有效抑制截断复频波带来的边带振荡误差，进一步提升合成信号的稳定性。这一特性使得该技术能够在不牺牲物理系统信噪比的前提下，以纯数据后处理驱动的模式，大幅提升THz-TDS的痕量检测灵敏度。

图 基于合成复频波补偿固有损耗示意图

    团队总结表示，这一方法能够实现在不引入额外噪声的情况下有效克服分子材料的内禀损耗限制，具有高度的前瞻性与实用价值。面向未来，团队将重点探索该技术在更复杂混合气体环境以及凝聚态物质检测中的普适性，致力于将这一高灵敏度检测技术推向环境监测和无损医学诊断的实际落地应用。