太赫茲測量儀器現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)應(yīng)用階段，并代表著一個重要的潛在市場。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)實際應(yīng)用，多種不同類型的技術(shù)各具優(yōu)點。

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。質(zhì)保篩查第三類工業(yè)應(yīng)用既不需要光譜測量也不需要測量厚度，但需要超快的強度值記錄。這種質(zhì)量控制應(yīng)用，很好地說明了快速記錄的優(yōu)勢。根據(jù)歐盟議會的要求，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有配送單的藥品包裝。因為，傳送帶的速度（通常大于10米/秒），對于在線測量來說太快了。

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)盤上的樣品，然后Schottky接收器測量透射強度，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)，通過太赫茲光束的焦點。時間相關(guān)信號的下降，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。通過信號中的兩個額外峰，可以看到配送單的存在。實驗表明，利用太赫茲探測，可以識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 太赫茲穿過包含配送單（左）和不包含配送單（右）的折疊包裝：在此測量中，藥品折疊包裝以21米/秒的速度移動新的測量程序可以測量每個太赫茲脈沖的強度。測量過程可以在篩選系統(tǒng)中實現(xiàn)，并且數(shù)據(jù)采集速度可以高達(dá)每秒1億個數(shù)據(jù)點。不過，這樣大的數(shù)據(jù)量不方便處理，所以一次平均幾千個測量點是較有效的。即便如此，測量數(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100 km / h的采樣速度下提供高分辨率測量。

圖6 采用TeraSpeed記錄透明雙組分粘合劑（黑色曲線）和光硬化環(huán)氧粘合劑（紅色曲線）固化過程的時間演變不同于傳統(tǒng)的時域光譜儀，當(dāng)前的篩選系統(tǒng)不使用任何運動部件，因此在熱性能和機械方面都非常堅固。如果需要觀察到緩慢的演變過程（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程中會顯著改變。因此，利用太赫茲測量可以無接觸地控制回火工序，從而幫助優(yōu)化固化持續(xù)時間和材料成分。太赫茲輻射的獨特特性使之成為多種應(yīng)用的有效工具展望未來，除了上述應(yīng)用，太赫茲更高的載波頻率將在無線通信中實現(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（尤其是無接觸材料和質(zhì)量檢測），正在不斷增長。