太赫兹技术进展及其在工业中的应用

凌东雄 黄晓园 王红成 叶海

(东莞理工学院 电子工程学院，广东东莞 523808)

太赫兹波段介于远红外和微波之间 (波长为30 μm到3 mm)，频率范围在0.1 THz到10 THz之间，其中1 THz(1012Hz)对应于波数为33.3 cm－1，能量为4.1 meV，波长为300 μm。研究表明:利用太赫兹波进行样品探测时，不会产生有害的光致电离，是一种有效的无损检测方法;太赫兹波脉冲宽度具有皮秒量级，可有效用于进行时间分辨的研究;非极性物质对太赫兹电磁辐射是透明的，可以把它用于机场、火车入口等地方的安全检测，以及用于集成电路焊接情况的工业过程检测等。太赫兹技术早期使用笨重和昂贵的系统，主要用于研发和实验室中的应用，特别是天体物理学。但近年来，重大的技术进步使得可用于工业的太赫兹技术产品的商业化成为可能，如无损检测、工业过程监测和药物的质量控制。另外，太赫兹技术也有其它可能的应用，包括安全市场或在未来几年的电信和生物医药市场［1－3］。本文介绍太赫兹技术及其发展，并对中长期的工业应用市场进行展望。

1 太赫兹技术及其发展

太赫兹技术主要是太赫兹光谱技术和太赫兹成像技术。太赫兹光谱技术主要有太赫兹时域光谱技术(TDS)、时间分辨光谱技术和太赫兹发射光谱技术，太赫兹光谱包含了丰富的物理和化学信息，因此研究太赫兹光谱对于研究基础物理相互作用具有重要的意义。太赫兹成像技术有太赫兹二维电光取样成像、层析成像、太赫兹啁啾脉冲时域场成像、近场成像、太赫兹连续波成像等等，可应用于生物医学、质量检测、安全检查和无损检测等众多应用领域［2］。

太赫兹光谱技术，特别是时域光谱技术 (TDS)，是最成熟的也是最有可能在工业应用中采用的太赫兹技术［2－5］。太赫兹时域光谱系统如图1，该系统由光源、光学系统、太赫兹发射极、太赫兹探测器、光谱扫描系统和信息处理软件平台等组成，光源为飞秒激光 (飞秒振荡器、飞秒放大器或飞秒光纤激光器)，用以泵浦太赫兹发射极产生太赫兹波，而后经由光谱扫描系统，在太赫兹探测器上与探测光会合，最终在信息处理软件平台上显示出太赫兹光谱。

太赫兹技术的发展过程如图2，我们首先分析太赫兹器件和系统的发展，然后分析太赫兹技术的应用。上个世纪80年代初，研究人员开发在实验室中应用的太赫兹系统。这些复杂的、昂贵的科学系统只能由高素质人员使用。然而，在过去的10年中，技术的较大进步已经使得易于使用、成本合算的系统和更紧凑和可靠的组件的开发得以实现。例如，飞秒激光器的成熟允许开发体积更小、更便宜的太赫兹源［3］。作为太赫兹探测器，其发展趋势是实现探测器阵列如测辐射热计阵列，以制造尺寸更小、检测性能更佳的探测器。随着组件变得更便宜、更可靠和更容易被集成，系统将变得更小、成本更低、更简单。

图1 太赫兹时域光谱系统示意图

从应用方面来看，太赫兹技术正在逐步满足工业需求，首先实现的是太赫兹光谱在纸张厚度测量和分析中的在线应用，以及在混合物和粉末在线无损检测方面的应用，而后将开启新的应用，如食品或药品的质量控制。制造商采用的制造执行系统 (MES)将有助于半导体或材料在线无损检测的太赫兹产品的使用［4］。但是，在太赫兹技术被广泛采用之前我们必须进行一些技术改进:我们必须提高采集速度，提高太赫兹测量的可靠性，并建立一个广泛的数据库来更好地解析光谱数据。最后，在8～10年之后，当该技术达到一定的成熟度，预期来自电信公司的投资应该能降低太赫兹组件成本并获得工业领域的广泛接受。

图2 太赫兹技术的发展过程

现在，太赫兹技术尚未达到成熟阶段，将其广泛使用于工业无损检测和过程监控仍然面临一些挑战。在动力性能方面，仍有重要的工作要做:大部分太赫兹源在1 THz频率提供的功率小于1 mW，这对工业无损检测、过程监控应用往往太低。要被在线过程监测广泛接受和使用，太赫兹系统和部件必须更可靠，并且其工作不需要人工干预。同时，系统的花费还需进一步降低，以便在在线过程中广泛使用。时域光谱系统的速度必须提高，因为在光谱采集中需要高吞吐量。在机械，电子，光学的延时设计方面的进展为准确、坚固耐用的解决方案铺平了道路。此外，太赫兹光谱的使用被当前数据库中的参考光谱的缺乏所阻碍。例如太赫兹RIKEN数据库包含1 550个光谱，而红外Bio－Rad数据库有1 400 000光谱。

2 太赫兹技术的工业应用

太赫兹技术应用的中期目标是质量控制和过程监控。工业领域法规的强化在两方面为太赫兹技术提供了机会:第一，越来越多的法规迫使工业界必须监控生产过程 (产品生产之前、产品生产期间和产品生产之后的过程)并控制产品质量。由于其穿透屏障材料的能力 (衣服、包装等)，以及非接触和无损检测，太赫兹技术是检测、控制与监测方面强有力的竞争者。第二，对用于控制和监测的技术作了规定。非电离、环保的技术比现在使用的X射线或核技术更易获得支持，而太赫兹技术符合这些安全限制。

在造纸行业，纸的厚度的在线监测是必需的，现在主要由核子仪来完成，最近由于法规加强，即循环利用的约束，核子仪的使用受到约束，而太赫兹时域光谱系统对厚度很敏感，所以Picometrix公司开发了一种称为T－gauge的在线太赫兹产品在过程监控中取代核子仪。首批T－gauge已在2012年出售。在未来几年，这种替代预计将越来越多地发生。

表1 在工业过程监控中太赫兹技术与其它非电离技术的比较

在工业过程监控领域中，太赫兹技术遇到众多非电离技术的竞争。如表1所示，太赫兹技术必须与超声技术相竞争，尽管超声技术存在传播速度慢、需要高度熟练的操作员等不足，但它是成熟的技术，更容易被生产厂家接受。与这些技术相比较，太赫兹技术必须证明其可靠性才能被接受。

广泛采用太赫兹技术的主要挑战是要找到应用的领域，即满足需求并可以代替电离技术如核子仪或X 射线系统［7］。

太赫兹技术应用的长期目标是制造执行系统 (MES)，制造执行系统是一个集生产资料并以优化从订单到成品的整个生产过程为目的的实时计算机系统。收集的信息可用于不同的功能区:产品定义、产品质量管理、产品跟踪、生产性能分析等。制造执行系统的使用可以获得更有效的生产流程，减少浪费、减少维修并增加正常运行时间。

近年来，制造商已经开始广泛利用制造执行系统来提高生产效率。为了这个目的，准确和可靠的测量是必需的，因此，准确和可靠的技术是必需的。在长期来看，太赫兹光谱技术和成像系统将获得较好的应用机会。

工业对技术最重要的要求是能够进行在线、实时和非侵入性的测量。太赫兹测量是非接触式的并已开始上线运行，现在的主要障碍是采集时间太慢难以在工业过程监控中广泛采用太赫兹系统。然而，随着技术突飞猛进的发展，有可能达到每秒1 000到超过100 000个波形的采集速度，这使得太赫兹技术的实时应用成为可能并在工业中广泛采用太赫兹系统［1，7－8］。

3 工业应用市场分析

太赫兹市场预计将从2012年的47 000 000美元增长到2022年的482 000 000美元，其年增长率达26%。太赫兹工业应用占据最大的市场份额，为太赫兹市场的50%，即2012年为21 000 000美元而2022年将达到241 000 000美元。

目前，率先商业化的几种太赫兹产品已应用于工业领域，参见图4。现在太赫兹技术主要应用在生产线附近纸和粉尘分析、纸张厚度测量以及复合材料分析。在5～8年后，越来越多的产品有望出现在医药、半导体制造等关键领域。

最近，安科 (EMCORE)公司公布了一款新双通道便携式频域太赫兹光谱仪，能够同时进行样品的传输和反射特性相位相干测量。第二通道允许一个单一的系统从各个角度收集样品反射或散射的信息，并连续监测传输。

我国首台太赫兹安检仪在2014年5月8日第九届中国国际国防电子展览会上发布，该安检仪由中国电子科技集团公司研制完成，全名为“博微太赫兹人体安检仪”，打破了此前美国垄断此类太赫兹人体安检仪核心技术的市场局面。

一种新技术发展到成熟需要较长的时间，广泛采用太赫兹技术必须有低成本和高技术性能的产品。现在已经花了大约15年才首次见到商业化的太赫兹工业应用产品，还需要10多年的时间才能成为被制造商广泛使用的技术。

作为比较，预期在2018年到2023年，太赫兹技术将在电信市场得到快速发展。在电信领域较为费时的是需要创建使用太赫兹波段的新标准。一旦标准被创建，大规模的市场应用将成为可能，特别是大量的投资将使得廉价设备的开发成为可能。再者，在电信领域的投资将对太赫兹技术在工业领域的应用产生积极的影响，因为它们会加快成本降低［9］。

4 结语

综上所述，太赫兹技术的发展造就了更坚固和更容易使用的太赫兹产品，并使太赫兹技术逐步走向工业应用;随着法规的加强，质量控制和过程监控领域需要安全可靠的新技术，这将大大促进太赫兹技术的发展;太赫兹技术符合工业领域制造执行系统的发展趋势，必将成为未来工业应用技术。

［1］许景周，张希成．太赫兹科学技术与应用［M］．北京:北京大学出版社，2007．

［2］张存林，牧凯军．太赫兹波谱与成像［J］．激光与光电子学进展，2010，47:1－14．

［3］张存林．大赫兹感测与成像［M］．北京:国防工业出版社，2008．

［4］刘盛纲，姚建栓，张杰．太赫兹科学技术的新发展［C］．香山科学会议第270次学术讨论会，北京:2005．

［5］马成举，陈延伟，向军，等．太赫兹辐射产生技术进展［J］．太赫兹光学，2007，44(4):56－61．

［6］M David Pozar．Microwave Engineering［M］．2nd ed．，New York:Wiley，1998．

［7］A Sobol，K Tomiyasu．Milestones of Microwaves［J］．IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2002，50(3):594 –611．

［8］Bih J Z．The microwave technology［C］．13thInternational Crimean Conferenc on Microwave and Telecommunication Technology，2003，15 －21．

［9］Luukanen A，Hadfield R H，Miller A J，et al．Grossman．An Ultra-Low noise superconducting antenna-Coupled microbolometer with a Room-Temperature Read-Out［J］．Microwave and Wireless Components Letters，2006，16(8):464 －466．