太赫茲波定義為0.1-10THz范圍內(nèi)的電磁波，處于微波與紅外之間，具有許多獨(dú)特的性質(zhì)，比如穿透性、非電離輻射、吸水性、指紋頻譜等，在材料識(shí)別、安全檢查與無(wú)損檢測(cè)方面有諸多應(yīng)用。

圖1太赫茲波在電磁譜中的位置

本次分享分為上下篇，主要介紹太赫茲成像技術(shù)的分類與特點(diǎn)，特別關(guān)注連續(xù)太赫茲波成像技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法及優(yōu)劣勢(shì)，包括連續(xù)波掃描成像技術(shù)、實(shí)時(shí)成像技術(shù)以及雷達(dá)成像技術(shù)，并展示虹科特有的連續(xù)太赫茲成像系統(tǒng)，為無(wú)損檢測(cè)提供了極具優(yōu)勢(shì)的解決方案。

01

太赫茲成像技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

太赫茲成像技術(shù)作為太赫茲研究中頗具前景的一個(gè)方向，得益于該輻射波段的獨(dú)特性質(zhì)：光子能量低，不具有電離輻射；極易透過(guò)非極性和非金屬材料，包括陶瓷、塑料、木材等常見(jiàn)卻無(wú)法被紅外光透射的材料；頻段處在許多生物大分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，可根據(jù)太赫茲波的強(qiáng)吸收和諧振特性建立分子指紋特征譜鑒別物質(zhì)成分；水敏感性高，非常適合物質(zhì)含水量分析等。

圖 2太赫茲成像技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

除了可獲得比其他光源更多的信息外，太赫茲成像技術(shù)在性能上也十分優(yōu)越。太赫茲波段的高頻率對(duì)應(yīng)于更短的波長(zhǎng)，能夠達(dá)到比微波成像更高的空間分辨率。而在穿透成像方面，相比需要借助耦合劑接觸樣品的超聲成像，太赫茲成像屬于非接觸無(wú)損檢測(cè)，更易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)集成。與具有穿透能力的X射線成像相比，太赫茲成像沒(méi)有電離輻射，對(duì)人體以及生物樣品都沒(méi)有傷害，適應(yīng)環(huán)境更為廣泛。基于以上優(yōu)勢(shì)，太赫茲成像技術(shù)在安檢、生物檢測(cè)與工業(yè)無(wú)損檢測(cè)等方面具有極佳的應(yīng)用前景。

圖3太赫茲成像技術(shù)的應(yīng)用

02

脈沖太赫茲成像技術(shù)

太赫茲成像技術(shù)根據(jù)太赫茲源的種類可以分為連續(xù)太赫茲成像與脈沖太赫茲成像。脈沖太赫茲波具有比較寬的頻帶，覆蓋GHz到十幾THz的范圍，有利于對(duì)樣品做太赫茲光譜的分析。目前脈沖太赫茲成像技術(shù)主要是基于太赫茲時(shí)域光譜儀（TDS），通過(guò)飛秒激光作用于光電導(dǎo)天線或者光整流晶體產(chǎn)生太赫茲脈沖，聚焦作用在樣品上，采集樣品單點(diǎn)位置的反射或者透射光譜。當(dāng)我們施加一個(gè)掃描成像套件，將樣品進(jìn)行二維平面的移動(dòng)，選擇太赫茲光譜的某一信號(hào)特征進(jìn)行數(shù)據(jù)處理即可得到樣品的太赫茲波圖像，能夠反饋樣品內(nèi)部的各種信息。

圖4 太赫茲時(shí)域光譜儀系統(tǒng)

基于TDS的脈沖太赫茲成像方法能夠獲取較為全面的時(shí)域和頻域太赫茲信息，包括幅度和相位，經(jīng)過(guò)特殊系統(tǒng)設(shè)置還可以得到振幅信息，在目前的太赫茲成像市場(chǎng)中占據(jù)主流。然而缺點(diǎn)在于其需要移動(dòng)樣品進(jìn)行時(shí)間，對(duì)于大型樣品的掃描成像時(shí)間較長(zhǎng)。另一點(diǎn)在于目前商業(yè)化的太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)的輸出功率都不高，大多在百微瓦量級(jí)，在信噪比與穿透性方面需要不斷提高。最新的突破在于德國(guó)的menlo systems公司開(kāi)發(fā)的全光纖耦合太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)，在55mW的激光激發(fā)功率下測(cè)量到0.97±0.07 mW的太赫茲發(fā)射功率，這也是基于全光纖太赫茲產(chǎn)生的世界紀(jì)錄。

03

連續(xù)太赫茲成像技術(shù)

連續(xù)太赫茲在功率方面表現(xiàn)更為突出，基于量子級(jí)聯(lián)激光器原理的連續(xù)太赫茲源功率可高達(dá)幾十毫瓦，而基于肖特基二極管倍頻器的連續(xù)亞太赫茲源的功率高達(dá)上百毫瓦。因此在測(cè)量更厚的材料、實(shí)現(xiàn)更好的穿透效果方面，連續(xù)太赫茲波成像技術(shù)會(huì)更有優(yōu)勢(shì)。基于連續(xù)太赫茲波的成像方法由于成像方式與產(chǎn)生方法的不同存在多個(gè)種類，每種成像方法各有優(yōu)劣，用戶可根據(jù)自己的具體應(yīng)用需求來(lái)選擇合適的連續(xù)太赫茲成像系統(tǒng)。

3.1

連續(xù)太赫茲波掃描成像系統(tǒng)：

當(dāng)擁有一個(gè)連續(xù)太赫茲源后，最簡(jiǎn)單的成像系統(tǒng)組成為：一些光學(xué)元件將光束準(zhǔn)直聚焦，一個(gè)位移臺(tái)承載并移動(dòng)樣品，一個(gè)太赫茲探測(cè)器進(jìn)行太赫茲信號(hào)的采集，再結(jié)合相關(guān)的圖像處理方法，即可組成一個(gè)連續(xù)太赫茲掃描成像系統(tǒng)。此類系統(tǒng)相較于TDS成像系統(tǒng)，其太赫茲波的輸出功率通常會(huì)更高，在同等條件下可以穿透更厚的樣品。比如采用電子學(xué)的方法將微波頻段倍頻到太赫茲頻段，通常在1THz以下，輸出功率在幾十毫瓦量級(jí)，可靠性穩(wěn)定且設(shè)備體積緊湊，適合各類集成式系統(tǒng)應(yīng)用，用戶可以根據(jù)項(xiàng)目需求自己搭建此類成像系統(tǒng)。

圖5 虹科連續(xù)波掃描成像系統(tǒng)光路圖

當(dāng)然，如果有完整組成的成像系統(tǒng)會(huì)使得項(xiàng)目應(yīng)用更為簡(jiǎn)便化。虹科提供基于此工作原理的完整掃描成像系統(tǒng)，包括Teraschokky亞太赫茲源，提供75G/150G/300G/600G的輸出，最高350mW的功率輸出；熱釋電探測(cè)器，連接鎖相放大器使用，探測(cè)太赫茲源的功率數(shù)值；光學(xué)組件，用于太赫茲波的準(zhǔn)直與聚焦，以及專業(yè)的成像軟件。

圖6 掃描系統(tǒng)的Teraschokky亞太赫茲源

圖7 掃描系統(tǒng)的Terapyro太赫茲傳感器

如此簡(jiǎn)單的系統(tǒng)構(gòu)造能夠?qū)崿F(xiàn)最佳亞毫米的成像分辨率，并且能夠同時(shí)探測(cè)到樣品的反射與透射太赫茲信號(hào)，這對(duì)太赫茲信號(hào)的分析提供了更多可參考的數(shù)據(jù)，對(duì)于太赫茲成像技術(shù)的延展研究也提供了更多可能性。

總結(jié)

根據(jù)太赫茲源的類型，太赫茲成像技術(shù)可以分為脈沖波成像與連續(xù)波成像，而連續(xù)波成像根據(jù)成像原理的不同又可分為連續(xù)波掃描成像、實(shí)時(shí)成像與雷達(dá)成像3種，今天介紹的成像系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與局限可以簡(jiǎn)單如下表所示：
實(shí)時(shí)成像技術(shù)、雷達(dá)成像技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法及優(yōu)劣勢(shì)是什么？虹科除了連續(xù)波掃描成像系統(tǒng)還有哪些連續(xù)太赫茲波成像系統(tǒng)？敬請(qǐng)期待下篇！