太赫茲波定義為0.1-10THz范圍內的電磁波，處于微波與紅外之間，具有許多獨特的性質，比如穿透性、非電離輻射、吸水性、指紋頻譜等，在材料識別、安全檢查與無損檢測方面有諸多應用。

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的分類與特點，特別關注連續太赫茲波成像技術的實現方法及優劣勢，包括連續波掃描成像技術、實時成像技術以及雷達成像技術，并展示虹科特有的連續太赫茲成像系統，為無損檢測提供了極具優勢的解決方案。

01

太赫茲成像技術的優勢

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

圖 2太赫茲成像技術的優勢

除了可獲得比其他光源更多的信息外，太赫茲成像技術在性能上也十分優越。太赫茲波段的高頻率對應于更短的波長，能夠達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損檢測，更易于實現自動集成。與具有穿透能力的X射線成像相比，太赫茲成像沒有電離輻射，對人體以及生物樣品都沒有傷害，適應環境更為廣泛。基于以上優勢，太赫茲成像技術在安檢、生物檢測與工業無損檢測等方面具有極佳的應用前景。

圖3太赫茲成像技術的應用

02

脈沖太赫茲成像技術

太赫茲成像技術根據太赫茲源的種類可以分為連續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，有利于對樣品做太赫茲光譜的分析。目前脈沖太赫茲成像技術主要是基于太赫茲時域光譜儀（TDS），通過飛秒激光作用于光電導天線或者光整流晶體產生太赫茲脈沖，聚焦作用在樣品上，采集樣品單點位置的反射或者透射光譜。當我們施加一個掃描成像套件，將樣品進行二維平面的移動，選擇太赫茲光譜的某一信號特征進行數據處理即可得到樣品的太赫茲波圖像，能夠反饋樣品內部的各種信息。

圖4 太赫茲時域光譜儀系統

基于TDS的脈沖太赫茲成像方法能夠獲取較為全面的時域和頻域太赫茲信息，包括幅度和相位，經過特殊系統設置還可以得到振幅信息，在目前的太赫茲成像市場中占據主流。然而缺點在于其需要移動樣品進行時間，對于大型樣品的掃描成像時間較長。另一點在于目前商業化的太赫茲時域光譜系統的輸出功率都不高，大多在百微瓦量級，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的menlo systems公司開發的全光纖耦合太赫茲時域光譜系統，在55mW的激光激發功率下測量到0.97±0.07 mW的太赫茲發射功率，這也是基于全光纖太赫茲產生的世界紀錄。

03

連續太赫茲成像技術

連續太赫茲在功率方面表現更為突出，基于量子級聯激光器原理的連續太赫茲源功率可高達幾十毫瓦，而基于肖特基二極管倍頻器的連續亞太赫茲源的功率高達上百毫瓦。因此在測量更厚的材料、實現更好的穿透效果方面，連續太赫茲波成像技術會更有優勢。基于連續太赫茲波的成像方法由于成像方式與產生方法的不同存在多個種類，每種成像方法各有優劣，用戶可根據自己的具體應用需求來選擇合適的連續太赫茲成像系統。

3.1

連續太赫茲波掃描成像系統：

當擁有一個連續太赫茲源后，最簡單的成像系統組成為：一些光學元件將光束準直聚焦，一個位移臺承載并移動樣品，一個太赫茲探測器進行太赫茲信號的采集，再結合相關的圖像處理方法，即可組成一個連續太赫茲掃描成像系統。此類系統相較于TDS成像系統，其太赫茲波的輸出功率通常會更高，在同等條件下可以穿透更厚的樣品。比如采用電子學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，可靠性穩定且設備體積緊湊，適合各類集成式系統應用，用戶可以根據項目需求自己搭建此類成像系統。

圖5 虹科連續波掃描成像系統光路圖

當然，如果有完整組成的成像系統會使得項目應用更為簡便化。虹科提供基于此工作原理的完整掃描成像系統，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；熱釋電探測器，連接鎖相放大器使用，探測太赫茲源的功率數值；光學組件，用于太赫茲波的準直與聚焦，以及專業的成像軟件。

圖6 掃描系統的Teraschokky亞太赫茲源

圖7 掃描系統的Terapyro太赫茲傳感器

如此簡單的系統構造能夠實現最佳亞毫米的成像分辨率，并且能夠同時探測到樣品的反射與透射太赫茲信號，這對太赫茲信號的分析提供了更多可參考的數據，對于太赫茲成像技術的延展研究也提供了更多可能性。

總結

根據太赫茲源的類型，太赫茲成像技術可以分為脈沖波成像與連續波成像，而連續波成像根據成像原理的不同又可分為連續波掃描成像、實時成像與雷達成像3種，今天介紹的成像系統的優勢與局限可以簡單如下表所示：
實時成像技術、雷達成像技術的實現方法及優劣勢是什么？虹科除了連續波掃描成像系統還有哪些連續太赫茲波成像系統？敬請期待下篇！