就在幾年前，太赫茲輻射的商業應用似乎還不夠明朗。如果咨詢專家：太赫茲輻射有哪些“殺手級”應用？很少有人說的上來。然而，在2018年，太赫茲測量儀器表現出了巨大的市場潛力。民用安全應用領域、無損檢測和工業質量控制領域，都可以受益于新一代太赫茲系統的應用。根據實際應用，多種不同類型的技術各具優點。

上圖為一種帶光纖尾纖的光混頻器，其有源結構位于圓柱形封裝的中心，產生的太赫茲輻射通過硅透鏡發射出來

太赫茲頻譜覆蓋了100GHz~10THz（波長在3mm~30um之間）的頻率，位于紅外和微波頻段之間（圖1）。目前，可以使用多種技術產生太赫茲輻射。以下介紹的應用采用了依賴于NIR（近紅外）激光轉換成太赫茲波的光電源。與替代技術（例如倍頻器或量子級聯激光器）相比，這種光電子系統的特征在于更強的魯棒性、更緊湊的尺寸以及非常寬的可用帶寬。

圖1 位于紅外和微波波段之間的太赫茲頻譜

本文介紹了三種太赫茲探測新興應用，每種都有不同的系統和儀器：

（1）微量氣體的高靈敏檢測，這要求系統具有高光譜分辨率，頻域光譜儀看起來最適合；

（2）層厚測量，采用時域系統，如塑料件的擠出和汽車工業中漆面的表征；

（3）在快速移動的傳送帶上實時檢測樣品，使用快速篩選系統進行驗證，每秒可測量高達500 KSPS（每秒千次采樣）的樣品。

在此可以預期，隨著這些測量系統的市場接受度提高，將為相關組件的生產帶來更大的規模效應。

氣體探測

頻域光譜利用了兩個可調諧激光器的差頻混頻原理。兩個波長略有差異的光照射特定半導體組件或光混頻器，可將拍頻信號波長轉換成太赫茲輻射。特別是，二極管激光器的波長可以精確地控制，使得所產生的太赫茲輻射有極高的方向性，并且可以容易地設置或掃描。在微量氣體分析中，僅1MHz的頻率分辨率就夠了；多種氣體在太赫茲頻率范圍內具有明顯的躍遷，并在低壓下變窄，可以通過它們的吸收指紋峰進行識別。

圖2 二氧化硫的太赫茲吸收光譜：TeraScan可以分辨寬度僅為幾兆赫茲的譜線，實驗數據（黑線）和文獻值（藍線）高度一致

德國聯邦教育和研究部（Federal Ministry for Education and Research）在2014~2017年期間資助了一個項目，旨在研究工業建筑中有毒氣體的精確探測。該項目還聯合了TOPTICA Photonics、Fraunhofer Heinrich Hertz研究所、德國曼海姆消防局的分析工作組以及其他合作伙伴。他們設計了一款基于高精度頻域光譜儀的移動測量站，分析了各種應用場景，包括保護生產線免受爆炸，以及在緊急情況下清除危險等。

在上述兩種情景下，都需要測量有關泄露有毒氣體類型和數量的準確信息。他們設計的移動測量站的探測限值為：對氨氣達到約10ppm，對硫化氫和二氧化硫達到100ppm。圖2展示了低壓下二氧化硫的典型吸收光譜。

層厚測量

時域太赫茲測量基于脈沖太赫茲源。與頻域光譜相比，這些系統僅使用一個發射短紅外脈沖的激光（持續時間為50~100fs）。激光脈沖觸發光電導開關并產生短瞬變電流，其中包含高（太赫茲）頻率分量。目前可用的最佳光電導開關采用了銦鎵砷（InGaAs）半導體材料，可實現高達7 THz的帶寬。

圖3 太赫茲脈沖從塑料瓶的不同點反射：在同一個瓶中，壁厚變化近兩倍，太赫茲回聲定位很容易檢測到這些不均勻性

利用太赫茲短脈沖進行塑料件的質量控制或涂料、涂層檢測，是太赫茲測量最有前景的工業應用之一（薄的光學不透明層測量）。其測量原理類似于回聲定位。太赫茲脈沖聚焦在被檢測的材料上，材料層頂部和底部會各自反射一部分的入射脈沖。

如果材料的折射率已知，可以根據兩層反射脈沖的到達時間來計算層的厚度（圖3）。該方法甚至還適用于多層表面，只要各層材料具有不同的折射率即可。時域系統TeraFlash已經可以解析厚度為10~20um的材料。

審核編輯 黃昊宇