太赫茲測(cè)量?jī)x器現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)應(yīng)用階段，并代表著一個(gè)重要的潛在市場(chǎng)。就在幾年前，太赫茲輻射的商業(yè)應(yīng)用似乎還不夠明朗。如果咨詢(xún)專(zhuān)家：太赫茲輻射有哪些“殺手級(jí)”應(yīng)用？很少有人說(shuō)的上來(lái)。然而，在2018年，太赫茲測(cè)量?jī)x器表現(xiàn)出了巨大的市場(chǎng)潛力。民用安全應(yīng)用領(lǐng)域、無(wú)損檢測(cè)和工業(yè)質(zhì)量控制領(lǐng)域，都可以受益于新一代太赫茲系統(tǒng)的應(yīng)用。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，多種不同類(lèi)型的技術(shù)各具優(yōu)點(diǎn)。

上圖為一種帶光纖尾纖的光混頻器，其有源結(jié)構(gòu)位于圓柱形封裝的中心，產(chǎn)生的太赫茲輻射通過(guò)硅透鏡發(fā)射出來(lái)太赫茲頻譜覆蓋了100GHz~10THz（波長(zhǎng)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(shù)產(chǎn)生太赫茲輻射。以下介紹的應(yīng)用采用了依賴(lài)于NIR（近紅外）激光轉(zhuǎn)換成太赫茲波的光電源。與替代技術(shù)（例如倍頻器或量子級(jí)聯(lián)激光器）相比，這種光電子系統(tǒng)的特征在于更強(qiáng)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(cè)新興應(yīng)用，每種都有不同的系統(tǒng)和儀器：（1）微量氣體的高靈敏檢測(cè)，這要求系統(tǒng)具有高光譜分辨率，頻域光譜儀看起來(lái)最適合；（2）層厚測(cè)量，采用時(shí)域系統(tǒng)，如塑料件的擠出和汽車(chē)工業(yè)中漆面的表征；（3）在快速移動(dòng)的傳送帶上實(shí)時(shí)檢測(cè)樣品，使用快速篩選系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，每秒可測(cè)量高達(dá)500 KSPS（每秒千次采樣）的樣品。在此可以預(yù)期，隨著這些測(cè)量系統(tǒng)的市場(chǎng)接受度提高，將為相關(guān)組件的生產(chǎn)帶來(lái)更大的規(guī)模效應(yīng)。氣體探測(cè)頻域光譜利用了兩個(gè)可調(diào)諧激光器的差頻混頻原理。兩個(gè)波長(zhǎng)略有差異的光照射特定半導(dǎo)體組件或光混頻器，可將拍頻信號(hào)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換成太赫茲輻射。特別是，二極管激光器的波長(zhǎng)可以精確地控制，使得所產(chǎn)生的太赫茲輻射有極高的方向性，并且可以容易地設(shè)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(nèi)具有明顯的躍遷，并在低壓下變窄，可以通過(guò)它們的吸收指紋峰進(jìn)行識(shí)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(xiàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（黑線(xiàn)）和文獻(xiàn)值（藍(lán)線(xiàn)）高度一致德國(guó)聯(lián)邦教育和研究部（Federal Ministry for Education and Research）在2014~2017年期間資助了一個(gè)項(xiàng)目，旨在研究工業(yè)建筑中有毒氣體的精確探測(cè)。該項(xiàng)目還聯(lián)合了TOPTICA Photonics、Fraunhofer Heinrich Hertz研究所、德國(guó)曼海姆消防局的分析工作組以及其他合作伙伴。他們?cè)O(shè)計(jì)了一款基于高精度頻域光譜儀的移動(dòng)測(cè)量站，分析了各種應(yīng)用場(chǎng)景，包括保護(hù)生產(chǎn)線(xiàn)免受爆炸，以及在緊急情況下清除危險(xiǎn)等。在上述兩種情景下，都需要測(cè)量有關(guān)泄露有毒氣體類(lèi)型和數(shù)量的準(zhǔn)確信息。他們?cè)O(shè)計(jì)的移動(dòng)測(cè)量站的探測(cè)限值為：對(duì)氨氣達(dá)到約10ppm，對(duì)硫化氫和二氧化硫達(dá)到100ppm。圖2展示了低壓下二氧化硫的典型吸收光譜。層厚測(cè)量時(shí)域太赫茲測(cè)量基于脈沖太赫茲源。與頻域光譜相比，這些系統(tǒng)僅使用一個(gè)發(fā)射短紅外脈沖的激光（持續(xù)時(shí)間為50~100fs）。激光脈沖觸發(fā)光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)并產(chǎn)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(dǎo)開(kāi)關(guān)采用了銦鎵砷（InGaAs）半導(dǎo)體材料，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)7 THz的帶寬。

圖3 太赫茲脈沖從塑料瓶的不同點(diǎn)反射：在同一個(gè)瓶中，壁厚變化近兩倍，太赫茲回聲定位很容易檢測(cè)到這些不均勻性利用太赫茲短脈沖進(jìn)行塑料件的質(zhì)量控制或涂料、涂層檢測(cè)，是太赫茲測(cè)量最有前景的工業(yè)應(yīng)用之一（薄的光學(xué)不透明層測(cè)量）。其測(cè)量原理類(lèi)似于回聲定位。太赫茲脈沖聚焦在被檢測(cè)的材料上，材料層頂部和底部會(huì)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(jù)兩層反射脈沖的到達(dá)時(shí)間來(lái)計(jì)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(shí)域系統(tǒng)TeraFlash已經(jīng)可以解析厚度為10~20um的材料。質(zhì)保篩查第三類(lèi)工業(yè)應(yīng)用既不需要光譜測(cè)量也不需要測(cè)量厚度，但需要超快的強(qiáng)度值記錄。這種質(zhì)量控制應(yīng)用，很好地說(shuō)明了快速記錄的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)歐盟議會(huì)的要求，如果藥品配送單包含患者信息，則藥品只能配送給患者。因此，藥品配發(fā)機(jī)構(gòu)需要在放入藥物之前，將配送單插入包裝中（配送單由紙或塑料制成，折疊的藥盒由紙板制成）。一旦插入了配送單和藥物，整體重量會(huì)被記錄。但是，如果總重不匹配，則質(zhì)量控制幾乎不可能定位沒(méi)有配送單的藥品包裝。因?yàn)椋瑐魉蛶У乃俣龋ㄍǔ４笥?0米/秒），對(duì)于在線(xiàn)測(cè)量來(lái)說(shuō)太快了。

圖4 利用太赫茲分析折好的紙板藥盒：首先，由發(fā)射器將飛秒（fs）激光器的輸出轉(zhuǎn)換為太赫茲脈沖，再由拋物面反射鏡將脈沖聚焦到安放在快速轉(zhuǎn)盤(pán)上的樣品，然后Schottky接收器測(cè)量透射強(qiáng)度，并在均方根（rms）轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)采集器（DAQ）中進(jìn)一步處理在由TOPTICA Photonics進(jìn)行的可行性試驗(yàn)中，折好的紙板藥盒被安置在模擬快速傳送帶的工業(yè)鉆頭上。這些盒子以21米/秒的橫向速度旋轉(zhuǎn)，通過(guò)太赫茲光束的焦點(diǎn)。時(shí)間相關(guān)信號(hào)的下降，是由于樣品本身邊緣和紙板折疊處太赫茲脈沖的散射造成的。通過(guò)信號(hào)中的兩個(gè)額外峰，可以看到配送單的存在。實(shí)驗(yàn)表明，利用太赫茲探測(cè)，可以識(shí)別缺少配送單的包裝。該方法甚至適用于以瓦片狀重疊度高達(dá)50%~60%堆疊的樣品（圖4和圖5）。

圖5 太赫茲穿過(guò)包含配送單（左）和不包含配送單（右）的折疊包裝：在此測(cè)量中，藥品折疊包裝以21米/秒的速度移動(dòng)新的測(cè)量程序可以測(cè)量每個(gè)太赫茲脈沖的強(qiáng)度。測(cè)量過(guò)程可以在篩選系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，并且數(shù)據(jù)采集速度可以高達(dá)每秒1億個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。不過(guò)，這樣大的數(shù)據(jù)量不方便處理，所以一次平均幾千個(gè)測(cè)量點(diǎn)是較有效的。即便如此，測(cè)量數(shù)據(jù)速率仍然遠(yuǎn)高于早期的太赫茲系統(tǒng)，并且足以在超過(guò)100 km / h的采樣速度下提供高分辨率測(cè)量。

圖6 采用TeraSpeed記錄透明雙組分粘合劑（黑色曲線(xiàn)）和光硬化環(huán)氧粘合劑（紅色曲線(xiàn)）固化過(guò)程的時(shí)間演變不同于傳統(tǒng)的時(shí)域光譜儀，當(dāng)前的篩選系統(tǒng)不使用任何運(yùn)動(dòng)部件，因此在熱性能和機(jī)械方面都非常堅(jiān)固。如果需要觀察到緩慢的演變過(guò)程（例如圖6粘合劑的固化），則可以降低數(shù)據(jù)采集速率。沿著這些線(xiàn)的初步研究表明，雙組分粘合劑和光硬化環(huán)氧粘合劑的透射性能在固化過(guò)程中會(huì)顯著改變。因此，利用太赫茲測(cè)量可以無(wú)接觸地控制回火工序，從而幫助優(yōu)化固化持續(xù)時(shí)間和材料成分。太赫茲輻射的獨(dú)特特性使之成為多種應(yīng)用的有效工具展望未來(lái)，除了上述應(yīng)用，太赫茲更高的載波頻率將在無(wú)線(xiàn)通信中實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。并且，近期有研究利用太赫茲技術(shù)表征了藥物的結(jié)構(gòu)（涂層厚度）和組分。太赫茲新興應(yīng)用的數(shù)量（尤其是無(wú)接觸材料和質(zhì)量檢測(cè)），正在不斷增長(zhǎng)。