太赫兹成像技术及系统方案

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

本文主要介绍了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。

1. 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，更易于实现自动化集成。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

2. 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 典型的反射式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。

3. 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。

（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。

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。

图6 扫描系统的Teraschokky亚太赫兹源与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。

（2）太赫兹面阵成像：

在上文提到的成像系统包括TDS系统的缺点都在于其冗长的扫描时间，而太赫兹面阵成像技术的出现解决了这一难题。

面阵成像系统通常利用高功率的连续太赫兹源，准直后形成较为均匀的照明区域照射到样品上，然后通过太赫兹相机进行面成像区域的采集，能够实现均匀照明区域内的实时图像呈现。此类系统的探测器多采用微测热辐射计（Microbolometer），针对太赫兹波段做了优化，且不需要制冷环境，是目前主流的太赫兹成像探测器。其像素大小有多种选择，市面上最高有1280×1024的阵列，而帧频通常在50或60Hz，能够满足常规的成像速度需要。

图7 太赫兹面阵成像的典型构造

太赫兹面阵成像技术虽然实现了实时成像，但是它目前仍存在单次成像面积有限的问题，受限于光源均匀后的功率，早期一般使用二氧化碳等气体激光器充作太赫兹源。但是气体激光器不仅体积庞大而且价格高昂，直到量子级联激光器（QCL）的发明为太赫兹面阵成像技术的研究带来了转机，其在2~5T范围具有mW级别的输出功率，且设备结构紧凑，成为面阵成像技术的首选光源。

虹科提供的TeraEyes-HV系统就基于上述成像原理，其构成为：2~5T范围的QCL太赫兹源，最高功率达7mW；成像模块，包括自动对准模块与光源均衡模块，实现光斑的均匀照明，最大照明面积10×10cm²；搭配太赫兹镜头的太赫兹相机，进行实时图像的采集，每分钟采集50帧图像。整个系统组件完整，调整样品与相机的位置即可反射/透射式实时成像，最优可实现250um的分辨率。

图8 虹科TeraEyes-HV实时成像太赫兹系统

使用QCL太赫兹源成像在均匀光斑的时候存在一个缺点，其输出为相干光，并且太赫兹波长在毫米和亚毫米量级，经过透镜光阑等光学孔径时，出射波束易发生衍射和干涉。经过成像系统中多次光学元件反射后的光束轮廓，光斑周围会存在明显的干涉条纹，如图9所示，在最终样品成像效果中会存在明显影响。

图9  QCL源面阵成像受到干涉条纹影响

虹科提供的TeraEyes-HV实时成像系统采用了一种创新的成像设置，包括一个可编程的光束控制单元，能够产生均匀而灵活的照明模式，从而解决了发射相干性带来的限制。辐射通过光束控制单元传播，通过振镜对激光束进行快速控制，从而产生合适的照明模式。光束控制单元是完全可编程的，照明模式可以定制，以适应不同的样品尺寸和应用。通过这种方法减少了衍射造成的成像干扰，进一步提高了信噪比。

图10 光斑快扫形成等效平行光斑，成像无干涉条纹的影响

因此，基于QCL源与太赫兹相机的连续太赫兹波成像系统能够实时成像，对于想要观察动态变化的样品的内部情况等应用场景是最佳选择方案。

（3）太赫兹雷达扫描成像：

    太赫兹面阵成像技术虽然实现了实时动态的成像效果，但是其探测方式只能收集样品反射/透射信号的强度信息，在信息采集的全面性存在局限。而基于连续太赫兹源，想要获得更多的太赫兹信息（幅度、相位以及深度信息），连续波调频（FMCW）太赫兹雷达是一个不错的选择。

图11 太赫兹雷达的成像构造图

FMCW太赫兹雷达通常集成了发射和探测的功能，因此单体结构更为紧凑。太赫兹波的产生同样是基于倍频器等原理，其输出频率主要在亚太赫兹波段（<1THz），因此成像分辨率通常在mm级别。而探测是基于外差探测的混频器原理，连续太赫兹波经过线性/锯齿波/三角波等调制，作用到样品上并采集其反射信号，通过混频器输出中频信号，而中频信号反映了样品的距离（深度信息）。

图12 线性FMCW雷达原理

目前，太赫兹波雷达的核心产生与探测主要有两种方法：一种是基于III-V族半导体材料的肖特基二极管倍频器，稳定性高以及动态范围、探测速率等成像表现更好，当然同样价格更高；另一种则是基于硅基材料，能够将倍频器、混频器等诸多功能电路集成在一张芯片上，因此成本与设备体积都会大大减少，而在稳定性和成像性能表现上稍逊一筹。

图13 左为150G雷达，右为120G雷达

比如虹科的150G雷达就是基于GaAs材料，其动态范围约100dB，探测速率高达7.6KHz，有潜力实现高速的线扫描成像；而基于硅基材料的120G雷达则只有10Hz的探测速率，动态范围为30dB，但是成本优势十分明显，内置的光学元件以及搭配的位移平台能够实现便携操作的太赫兹成像检测。

总而言之，太赫兹雷达成像的最大优势在于可以的得到样品不同深度的二维图像，实现层析成像，在图像三维重建方面更有优势。并且核心材料制造有低价和高价的选择，能够满足不同需求。

图14  FMCW太赫兹雷达成像效果

3. 太赫兹成像技术小结

太赫兹成像技术具有穿透性、非接触式、非电离辐射的优势，在食品药品包装内异物检测、腐蚀检测、材料内部缺陷检测等诸多工业应用场景具有广泛的应用前景，当然实际使用时还需要适配具体的工业环境做一些集成开发工作。

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，各个成像系统的优势与局限可以简单如下表所示：

图15 太赫兹成像技术的优点与局限

   虹科提供4种连续太赫兹波成像系统，满足用户不同应用场景以及成像参数的需求，以最可靠的系统配置实现最优的太赫兹成像效果。

参考文献：

[1] Jean-Baptiste Perraud et al, Sensors. 2020, 20(14), 3993

[2] A. W. M. Lee et al, Opt. Lett. 2005, 30, 2563

[3] Yao-Chun Shen et al. Chinese Phys. B. 2020, 29, 078705

[4] 曹丙花，李素珍等. 光谱学与光谱分析. 2020, 40, 2686

[5] The Terahertz Users Group of the British Institute of Non-destructive Testing

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