太赫兹频谱在无损检测和工业质量控制领域的应用

太赫兹测量仪器现在已经进入产业应用阶段，并代表着一个重要的潜在市场。就在几年前，太赫兹辐射的商业应用似乎还不够明朗。如果咨询专家：太赫兹辐射有哪些“杀手级”应用？很少有人说的上来。然而，在2018年，太赫兹测量仪器表现出了巨大的市场潜力。民用安全应用领域、无损检测和工业质量控制领域，都可以受益于新一代太赫兹系统的应用。根据实际应用，多种不同类型的技术各具优点。

上图为一种带光纤尾纤的光混频器，其有源结构位于圆柱形封装的中心，产生的太赫兹辐射通过硅透镜发射出来太赫兹频谱覆盖了100GHz~10THz（波长在3mm~30um之间）的频率，位于红外和微波频段之间（图1）。目前，可以使用多种技术产生太赫兹辐射。以下介绍的应用采用了依赖于NIR（近红外）激光转换成太赫兹波的光电源。与替代技术（例如倍频器或量子级联激光器）相比，这种光电子系统的特征在于更强的鲁棒性、更紧凑的尺寸以及非常宽的可用带宽。

图1 位于红外和微波波段之间的太赫兹频谱本文介绍了三种太赫兹探测新兴应用，每种都有不同的系统和仪器：（1）微量气体的高灵敏检测，这要求系统具有高光谱分辨率，频域光谱仪看起来最适合；（2）层厚测量，采用时域系统，如塑料件的挤出和汽车工业中漆面的表征；（3）在快速移动的传送带上实时检测样品，使用快速筛选系统进行验证，每秒可测量高达500 KSPS（每秒千次采样）的样品。在此可以预期，随着这些测量系统的市场接受度提高，将为相关组件的生产带来更大的规模效应。气体探测频域光谱利用了两个可调谐激光器的差频混频原理。两个波长略有差异的光照射特定半导体组件或光混频器，可将拍频信号波长转换成太赫兹辐射。特别是，二极管激光器的波长可以精确地控制，使得所产生的太赫兹辐射有极高的方向性，并且可以容易地设置或扫描。在微量气体分析中，仅1MHz的频率分辨率就够了；多种气体在太赫兹频率范围内具有明显的跃迁，并在低压下变窄，可以通过它们的吸收指纹峰进行识别。

图2 二氧化硫的太赫兹吸收光谱：TeraScan可以分辨宽度仅为几兆赫兹的谱线，实验数据（黑线）和文献值（蓝线）高度一致德国联邦教育和研究部（Federal Ministry for Education and Research）在2014~2017年期间资助了一个项目，旨在研究工业建筑中有毒气体的精确探测。该项目还联合了TOPTICA Photonics、Fraunhofer Heinrich Hertz研究所、德国曼海姆消防局的分析工作组以及其他合作伙伴。他们设计了一款基于高精度频域光谱仪的移动测量站，分析了各种应用场景，包括保护生产线免受爆炸，以及在紧急情况下清除危险等。在上述两种情景下，都需要测量有关泄露有毒气体类型和数量的准确信息。他们设计的移动测量站的探测限值为：对氨气达到约10ppm，对硫化氢和二氧化硫达到100ppm。图2展示了低压下二氧化硫的典型吸收光谱。层厚测量时域太赫兹测量基于脉冲太赫兹源。与频域光谱相比，这些系统仅使用一个发射短红外脉冲的激光（持续时间为50~100fs）。激光脉冲触发光电导开关并产生短瞬变电流，其中包含高（太赫兹）频率分量。目前可用的最佳光电导开关采用了铟镓砷（InGaAs）半导体材料，可实现高达7 THz的带宽。

图3 太赫兹脉冲从塑料瓶的不同点反射：在同一个瓶中，壁厚变化近两倍，太赫兹回声定位很容易检测到这些不均匀性利用太赫兹短脉冲进行塑料件的质量控制或涂料、涂层检测，是太赫兹测量最有前景的工业应用之一（薄的光学不透明层测量）。其测量原理类似于回声定位。太赫兹脉冲聚焦在被检测的材料上，材料层顶部和底部会各自反射一部分的入射脉冲。如果材料的折射率已知，可以根据两层反射脉冲的到达时间来计算层的厚度（图3）。该方法甚至还适用于多层表面，只要各层材料具有不同的折射率即可。时域系统TeraFlash已经可以解析厚度为10~20um的材料。质保筛查第三类工业应用既不需要光谱测量也不需要测量厚度，但需要超快的强度值记录。这种质量控制应用，很好地说明了快速记录的优势。根据欧盟议会的要求，如果药品配送单包含患者信息，则药品只能配送给患者。因此，药品配发机构需要在放入药物之前，将配送单插入包装中（配送单由纸或塑料制成，折叠的药盒由纸板制成）。一旦插入了配送单和药物，整体重量会被记录。但是，如果总重不匹配，则质量控制几乎不可能定位没有配送单的药品包装。因为，传送带的速度（通常大于10米/秒），对于在线测量来说太快了。

图4 利用太赫兹分析折好的纸板药盒：首先，由发射器将飞秒（fs）激光器的输出转换为太赫兹脉冲，再由抛物面反射镜将脉冲聚焦到安放在快速转盘上的样品，然后Schottky接收器测量透射强度，并在均方根（rms）转换器和数据采集器（DAQ）中进一步处理在由TOPTICA Photonics进行的可行性试验中，折好的纸板药盒被安置在模拟快速传送带的工业钻头上。这些盒子以21米/秒的横向速度旋转，通过太赫兹光束的焦点。时间相关信号的下降，是由于样品本身边缘和纸板折叠处太赫兹脉冲的散射造成的。通过信号中的两个额外峰，可以看到配送单的存在。实验表明，利用太赫兹探测，可以识别缺少配送单的包装。该方法甚至适用于以瓦片状重叠度高达50%~60%堆叠的样品（图4和图5）。

图5 太赫兹穿过包含配送单（左）和不包含配送单（右）的折叠包装：在此测量中，药品折叠包装以21米/秒的速度移动新的测量程序可以测量每个太赫兹脉冲的强度。测量过程可以在筛选系统中实现，并且数据采集速度可以高达每秒1亿个数据点。不过，这样大的数据量不方便处理，所以一次平均几千个测量点是较有效的。即便如此，测量数据速率仍然远高于早期的太赫兹系统，并且足以在超过100 km / h的采样速度下提供高分辨率测量。

图6 采用TeraSpeed记录透明双组分粘合剂（黑色曲线）和光硬化环氧粘合剂（红色曲线）固化过程的时间演变不同于传统的时域光谱仪，当前的筛选系统不使用任何运动部件，因此在热性能和机械方面都非常坚固。如果需要观察到缓慢的演变过程（例如图6粘合剂的固化），则可以降低数据采集速率。沿着这些线的初步研究表明，双组分粘合剂和光硬化环氧粘合剂的透射性能在固化过程中会显著改变。因此，利用太赫兹测量可以无接触地控制回火工序，从而帮助优化固化持续时间和材料成分。太赫兹辐射的独特特性使之成为多种应用的有效工具展望未来，除了上述应用，太赫兹更高的载波频率将在无线通信中实现更高的数据速率。并且，近期有研究利用太赫兹技术表征了药物的结构（涂层厚度）和组分。太赫兹新兴应用的数量（尤其是无接触材料和质量检测），正在不断增长。