虹科分享 | 带您了解太赫兹成像技术及系统方案（上）

虹科光电 2022-09-26 859

描述

太赫兹波定义为0.1-10THz范围内的电磁波，处于微波与红外之间，具有许多独特的性质，比如穿透性、非电离辐射、吸水性、指纹频谱等，在材料识别、安全检查与无损检测方面有诸多应用。

图1 太赫兹波在电磁谱中的位置

本次分享分为上下篇，主要介绍太赫兹成像技术的分类与特点，特别关注连续太赫兹波成像技术的实现方法及优劣势，包括连续波扫描成像技术、实时成像技术以及雷达成像技术，并展示虹科特有的连续太赫兹成像系统，为无损检测提供了极具优势的解决方案。

太赫兹成像技术的优势

太赫兹成像技术作为太赫兹研究中颇具前景的一个方向，得益于该辐射波段的独特性质：光子能量低，不具有电离辐射；极易透过非极性和非金属材料，包括陶瓷、塑料、木材等常见却无法被红外光透射的材料；频段处在许多生物大分子振动和转动能级，可根据太赫兹波的强吸收和谐振特性建立分子指纹特征谱鉴别物质成分；水敏感性高，非常适合物质含水量分析等。

图 2 太赫兹成像技术的优势

除了可获得比其他光源更多的信息外，太赫兹成像技术在性能上也十分优越。太赫兹波段的高频率对应于更短的波长，能够达到比微波成像更高的空间分辨率。而在穿透成像方面，相比需要借助耦合剂接触样品的超声成像，太赫兹成像属于非接触无损检测，更易于实现自动集成。与具有穿透能力的X射线成像相比，太赫兹成像没有电离辐射，对人体以及生物样品都没有伤害，适应环境更为广泛。基于以上优势，太赫兹成像技术在安检、生物检测与工业无损检测等方面具有极佳的应用前景。

图3 太赫兹成像技术的应用

脉冲太赫兹成像技术

太赫兹成像技术根据太赫兹源的种类可以分为连续太赫兹成像与脉冲太赫兹成像。脉冲太赫兹波具有比较宽的频带，覆盖GHz到十几THz的范围，有利于对样品做太赫兹光谱的分析。目前脉冲太赫兹成像技术主要是基于太赫兹时域光谱仪（TDS），通过飞秒激光作用于光电导天线或者光整流晶体产生太赫兹脉冲，聚焦作用在样品上，采集样品单点位置的反射或者透射光谱。当我们施加一个扫描成像套件，将样品进行二维平面的移动，选择太赫兹光谱的某一信号特征进行数据处理即可得到样品的太赫兹波图像，能够反馈样品内部的各种信息。

图4 太赫兹时域光谱仪系统

基于TDS的脉冲太赫兹成像方法能够获取较为全面的时域和频域太赫兹信息，包括幅度和相位，经过特殊系统设置还可以得到振幅信息，在目前的太赫兹成像市场中占据主流。然而缺点在于其需要移动样品进行时间，对于大型样品的扫描成像时间较长。另一点在于目前商业化的太赫兹时域光谱系统的输出功率都不高，大多在百微瓦量级，在信噪比与穿透性方面需要不断提高。最新的突破在于德国的menlo systems公司开发的全光纤耦合太赫兹时域光谱系统，在55mW的激光激发功率下测量到0.97±0.07 mW的太赫兹发射功率，这也是基于全光纤太赫兹产生的世界纪录。

连续太赫兹成像技术

连续太赫兹在功率方面表现更为突出，基于量子级联激光器原理的连续太赫兹源功率可高达几十毫瓦，而基于肖特基二极管倍频器的连续亚太赫兹源的功率高达上百毫瓦。因此在测量更厚的材料、实现更好的穿透效果方面，连续太赫兹波成像技术会更有优势。基于连续太赫兹波的成像方法由于成像方式与产生方法的不同存在多个种类，每种成像方法各有优劣，用户可根据自己的具体应用需求来选择合适的连续太赫兹成像系统。

3.1

连续太赫兹波扫描成像系统：

当拥有一个连续太赫兹源后，最简单的成像系统组成为：一些光学元件将光束准直聚焦，一个位移台承载并移动样品，一个太赫兹探测器进行太赫兹信号的采集，再结合相关的图像处理方法，即可组成一个连续太赫兹扫描成像系统。此类系统相较于TDS成像系统，其太赫兹波的输出功率通常会更高，在同等条件下可以穿透更厚的样品。比如采用电子学的方法将微波频段倍频到太赫兹频段，通常在1THz以下，输出功率在几十毫瓦量级，可靠性稳定且设备体积紧凑，适合各类集成式系统应用，用户可以根据项目需求自己搭建此类成像系统。

太赫兹

图5 虹科连续波扫描成像系统光路图

当然，如果有完整组成的成像系统会使得项目应用更为简便化。虹科提供基于此工作原理的完整扫描成像系统，包括Teraschokky亚太赫兹源，提供75G/150G/300G/600G的输出，最高350mW的功率输出；热释电探测器，连接锁相放大器使用，探测太赫兹源的功率数值；光学组件，用于太赫兹波的准直与聚焦，以及专业的成像软件。

太赫兹

图6 扫描系统的Teraschokky亚太赫兹源

太赫兹

图7 扫描系统的Terapyro太赫兹传感器

如此简单的系统构造能够实现最佳亚毫米的成像分辨率，并且能够同时探测到样品的反射与透射太赫兹信号，这对太赫兹信号的分析提供了更多可参考的数据，对于太赫兹成像技术的延展研究也提供了更多可能性。

总结

根据太赫兹源的类型，太赫兹成像技术可以分为脉冲波成像与连续波成像，而连续波成像根据成像原理的不同又可分为连续波扫描成像、实时成像与雷达成像3种，今天介绍的成像系统的优势与局限可以简单如下表所示：
实时成像技术、雷达成像技术的实现方法及优劣势是什么？虹科除了连续波扫描成像系统还有哪些连续太赫兹波成像系统？敬请期待下篇！

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