太赫茲頻譜在前沿材料測試領(lǐng)域的應(yīng)用（一）
就在幾年前，太赫茲輻射的商業(yè)應(yīng)用似乎還不夠明朗。如果咨詢專家：太赫茲輻射有哪些“殺手級”應(yīng)用？很少有人說的上來。然而，在2018年，太赫茲測量儀器表現(xiàn)出了巨大的市場潛力。民用安全應(yīng)用領(lǐng)域、無損檢測和工業(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硅透鏡發(fā)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(shù)產(chǎn)生太赫茲輻射。以下介紹的應(yīng)用采用了依賴于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，這要求系統(tǒng)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(tǒng)，如塑料件的擠出和汽車工業(yè)中漆面的表征；
（3）在快速移動的傳送帶上實(shí)時檢測樣品，使用快速篩選系統(tǒng)進(jìn)行驗證，每秒可測量高達(dá)500 KSPS（每秒千次采樣）的樣品。
在此可以預(yù)期，隨著這些測量系統(tǒng)的市場接受度提高，將為相關(guān)組件的生產(chǎn)帶來更大的規(guī)模效應(yīng)。
氣體探測
頻域光譜利用了兩個可調(diào)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(dǎo)體組件或光混頻器，可將拍頻信號波長轉(zhuǎn)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(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，可以通過它們的吸收指紋峰進(jìn)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(shí)驗數(shù)據(jù)（黑線）和文獻(xiàn)值（藍(lán)線）高度一致
德國聯(lián)邦教育和研究部（Federal Ministry for Education and Research）在2014~2017年期間資助了一個項目，旨在研究工業(yè)建筑中有毒氣體的精確探測。該項目還聯(lián)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(shè)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(yīng)用場景，包括保護(hù)生產(chǎn)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(guān)泄露有毒氣體類型和數(shù)量的準(zhǔn)確信息。他們設(shè)計的移動測量站的探測限值為：對氨氣達(dá)到約10ppm，對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(tǒng)僅使用一個發(fā)射短紅外脈沖的激光（持續(xù)時間為50~100fs）。激光脈沖觸發(fā)光電導(dǎo)開關(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(jìn)行塑料件的質(zhì)量控制或涂料、涂層檢測，是太赫茲測量最有前景的工業(yè)應(yīng)用之一（薄的光學(xué)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(jù)兩層反射脈沖的到達(dá)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(tǒng)TeraFlash已經(jīng)可以解析厚度為10~20um的材料。
