太赫茲波定義為0.1-10THz范圍內的電磁波，處于微波與紅外之間，具有許多獨特的性質，比如穿透性、非電離輻射、吸水性、指紋頻譜等，在材料識別、安全檢查與無損檢測方面有諸多應用。

圖1太赫茲波在電磁譜中的位置

本文主要介紹了太赫茲成像技術的分類與特點，特別關注連續太赫茲波成像技術的實現方法及優劣勢，包括連續波掃描成像技術、實時成像技術以及雷達成像技術，并展示虹科特有的連續太赫茲成像系統，為無損檢測提供了極具優勢的解決方案。

1.太赫茲成像技術的優勢

太赫茲成像技術作為太赫茲研究中頗具前景的一個方向，得益于該輻射波段的獨特性質：光子能量低，不具有電離輻射；極易透過非極性和非金屬材料，包括陶瓷、塑料、木材等常見卻無法被紅外光透射的材料；頻段處在許多生物大分子振動和轉動能級，可根據太赫茲波的強吸收和諧振特性建立分子指紋特征譜鑒別物質成分；水敏感性高，非常適合物質含水量分析等。

圖2太赫茲成像技術的優勢

除了可獲得比其他光源更多的信息外，太赫茲成像技術在性能上也十分優越。太赫茲波段的高頻率對應于更短的波長，能夠達到比微波成像更高的空間分辨率。而在穿透成像方面，相比需要借助耦合劑接觸樣品的超聲成像，太赫茲成像屬于非接觸無損檢測，更易于實現自動化集成。與具有穿透能力的X射線成像相比，太赫茲成像沒有電離輻射，對人體以及生物樣品都沒有傷害，適應環境更為廣泛。基于以上優勢，太赫茲成像技術在安檢、生物檢測與工業無損檢測等方面具有極佳的應用前景。

圖3太赫茲成像技術的應用

2.脈沖太赫茲成像技術

太赫茲成像技術根據太赫茲源的種類可以分為連續太赫茲成像與脈沖太赫茲成像。

脈沖太赫茲波具有比較寬的頻帶，覆蓋GHz到十幾THz的范圍，有利于對樣品做太赫茲光譜的分析。目前脈沖太赫茲成像技術主要是基于太赫茲時域光譜儀（TDS），通過飛秒激光作用于光電導天線或者光整流晶體產生太赫茲脈沖，聚焦作用在樣品上，采集樣品單點位置的反射或者透射光譜。當我們施加一個掃描成像套件，將樣品進行二維平面的移動，選擇太赫茲光譜的某一信號特征進行數據處理即可得到樣品的太赫茲波圖像，能夠反饋樣品內部的各種信息。

圖4典型的反射式太赫茲時域光譜儀系統

基于TDS的脈沖太赫茲成像方法能夠獲取較為全面的時域和頻域太赫茲信息，包括幅度和相位，經過特殊系統設置還可以得到振幅信息，在目前的太赫茲成像市場中占據主流。然而缺點在于其需要移動樣品進行時間，對于大型樣品的掃描成像時間較長。另一點在于目前商業化的太赫茲時域光譜系統的輸出功率都不高，大多在百微瓦量級，在信噪比與穿透性方面需要不斷提高。

最新的突破在于德國的menlo systems公司開發的全光纖耦合太赫茲時域光譜系統，在55mW的激光激發功率下測量到0.97±0.07 mW的太赫茲發射功率，這也是基于全光纖太赫茲產生的世界紀錄。

3.連續太赫茲成像技術

連續太赫茲在功率方面表現更為突出，基于量子級聯激光器原理的連續太赫茲源功率可高達幾十毫瓦，而基于肖特基二極管倍頻器的連續亞太赫茲源的功率高達上百毫瓦。因此在測量更厚的材料、實現更好的穿透效果方面，連續太赫茲波成像技術會更有優勢。

基于連續太赫茲波的成像方法由于成像方式與產生方法的不同存在多個種類，每種成像方法各有優劣，用戶可根據自己的具體應用需求來選擇合適的連續太赫茲成像系統。

（1）連續太赫茲波掃描成像系統：

當擁有一個連續太赫茲源后，最簡單的成像系統組成為：一些光學元件將光束準直聚焦，一個位移臺承載并移動樣品，一個太赫茲探測器進行太赫茲信號的采集，再結合相關的圖像處理方法，即可組成一個連續太赫茲掃描成像系統。此類系統相較于TDS成像系統，其太赫茲波的輸出功率通常會更高，在同等條件下可以穿透更厚的樣品。比如采用電子學的方法將微波頻段倍頻到太赫茲頻段，通常在1THz以下，輸出功率在幾十毫瓦量級，可靠性穩定且設備體積緊湊，適合各類集成式系統應用，用戶可以根據項目需求自己搭建此類成像系統。

圖5虹科連續波掃描成像系統光路圖

當然，如果有完整組成的成像系統會使得項目應用更為簡便化。虹科提供基于此工作原理的完整掃描成像系統，包括Teraschokky亞太赫茲源，提供75G/150G/300G/600G的輸出，最高350mW的功率輸出；熱釋電探測器，連接鎖相放大器使用，探測太赫茲源的功率數值；光學組件，用于太赫茲波的準直與聚焦，以及專業的成像軟件。

圖6掃描系統的Teraschokky亞太赫茲源與Terapyro太赫茲傳感器

如此簡單的系統構造能夠實現最佳亞毫米的成像分辨率，并且能夠同時探測到樣品的反射與透射太赫茲信號，這對太赫茲信號的分析提供了更多可參考的數據，對于太赫茲成像技術的延展研究也提供了更多可能性。

（2）太赫茲面陣成像：

在上文提到的成像系統包括TDS系統的缺點都在于其冗長的掃描時間，而太赫茲面陣成像技術的出現解決了這一難題。

面陣成像系統通常利用高功率的連續太赫茲源，準直后形成較為均勻的照明區域照射到樣品上，然后通過太赫茲相機進行面成像區域的采集，能夠實現均勻照明區域內的實時圖像呈現。此類系統的探測器多采用微測熱輻射計（Microbolometer），針對太赫茲波段做了優化，且不需要制冷環境，是目前主流的太赫茲成像探測器。其像素大小有多種選擇，市面上最高有1280×1024的陣列，而幀頻通常在50或60Hz，能夠滿足常規的成像速度需要。

圖7太赫茲面陣成像的典型構造

太赫茲面陣成像技術雖然實現了實時成像，但是它目前仍存在單次成像面積有限的問題，受限于光源均勻后的功率，早期一般使用二氧化碳等氣體激光器充作太赫茲源。但是氣體激光器不僅體積龐大而且價格高昂，直到量子級聯激光器（QCL）的發明為太赫茲面陣成像技術的研究帶來了轉機，其在2~5T范圍具有mW級別的輸出功率，且設備結構緊湊，成為面陣成像技術的首選光源。

虹科提供的TeraEyes-HV系統就基于上述成像原理，其構成為：2~5T范圍的QCL太赫茲源，最高功率達7mW；成像模塊，包括自動對準模塊與光源均衡模塊，實現光斑的均勻照明，最大照明面積10×10cm2；搭配太赫茲鏡頭的太赫茲相機，進行實時圖像的采集，每分鐘采集50幀圖像。整個系統組件完整，調整樣品與相機的位置即可反射/透射式實時成像，最優可實現250um的分辨率。

圖8虹科TeraEyes-HV實時成像太赫茲系統

使用QCL太赫茲源成像在均勻光斑的時候存在一個缺點，其輸出為相干光，并且太赫茲波長在毫米和亞毫米量級，經過透鏡光闌等光學孔徑時，出射波束易發生衍射和干涉。經過成像系統中多次光學元件反射后的光束輪廓，光斑周圍會存在明顯的干涉條紋，如圖9所示，在最終樣品成像效果中會存在明顯影響。

圖9 QCL源面陣成像受到干涉條紋影響

虹科提供的TeraEyes-HV實時成像系統采用了一種創新的成像設置，包括一個可編程的光束控制單元，能夠產生均勻而靈活的照明模式，從而解決了發射相干性帶來的限制。輻射通過光束控制單元傳播，通過振鏡對激光束進行快速控制，從而產生合適的照明模式。光束控制單元是完全可編程的，照明模式可以定制，以適應不同的樣品尺寸和應用。通過這種方法減少了衍射造成的成像干擾，進一步提高了信噪比。

圖10光斑快掃形成等效平行光斑，成像無干涉條紋的影響

因此，基于QCL源與太赫茲相機的連續太赫茲波成像系統能夠實時成像，對于想要觀察動態變化的樣品的內部情況等應用場景是最佳選擇方案。

（3）太赫茲雷達掃描成像：

太赫茲面陣成像技術雖然實現了實時動態的成像效果，但是其探測方式只能收集樣品反射/透射信號的強度信息，在信息采集的全面性存在局限。而基于連續太赫茲源，想要獲得更多的太赫茲信息（幅度、相位以及深度信息），連續波調頻（FMCW）太赫茲雷達是一個不錯的選擇。

圖11太赫茲雷達的成像構造圖

FMCW太赫茲雷達通常集成了發射和探測的功能，因此單體結構更為緊湊。太赫茲波的產生同樣是基于倍頻器等原理，其輸出頻率主要在亞太赫茲波段（<1THz），因此成像分辨率通常在mm級別。而探測是基于外差探測的混頻器原理，連續太赫茲波經過線性/鋸齒波/三角波等調制，作用到樣品上并采集其反射信號，通過混頻器輸出中頻信號，而中頻信號反映了樣品的距離（深度信息）。

圖12線性FMCW雷達原理

目前，太赫茲波雷達的核心產生與探測主要有兩種方法：一種是基于III-V族半導體材料的肖特基二極管倍頻器，穩定性高以及動態范圍、探測速率等成像表現更好，當然同樣價格更高；另一種則是基于硅基材料，能夠將倍頻器、混頻器等諸多功能電路集成在一張芯片上，因此成本與設備體積都會大大減少，而在穩定性和成像性能表現上稍遜一籌。

圖13左為虹科150G太赫茲雷達，右為120G雷達

比如虹科的150G雷達就是基于GaAs材料，其動態范圍約100dB，探測速率高達7.6KHz，有潛力實現高速的線掃描成像；而基于硅基材料的120G雷達則只有10Hz的探測速率，動態范圍為30dB，但是成本優勢十分明顯，內置的光學元件以及搭配的位移平臺能夠實現便攜操作的太赫茲成像檢測。

總而言之，太赫茲雷達成像的最大優勢在于可以的得到樣品不同深度的二維圖像，實現層析成像，在圖像三維重建方面更有優勢。并且核心材料制造有低價和高價的選擇，能夠滿足不同需求。

圖14 FMCW太赫茲雷達成像效果

4.太赫茲成像技術小結

太赫茲成像技術具有穿透性、非接觸式、非電離輻射的優勢，在食品藥品包裝內異物檢測、腐蝕檢測、材料內部缺陷檢測等諸多工業應用場景具有廣泛的應用前景，當然實際使用時還需要適配具體的工業環境做一些集成開發工作。

根據太赫茲源的類型，太赫茲成像技術可以分為脈沖波成像與連續波成像，而連續波成像根據成像原理的不同又可分為連續波掃描成像、實時成像與雷達成像3種，各個成像系統的優勢與局限可以簡單如下表所示：

圖15太赫茲成像技術的優點與局限

虹科提供4種連續太赫茲波成像系統，滿足用戶不同應用場景以及成像參數的需求，以最可靠的系統配置實現最優的太赫茲成像效果。

參考文獻：

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審核編輯黃宇