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紧凑的时域太赫兹系统实现灵活完备的成像方案

导读: 时域太赫兹(TD-THz)方法在很多应用中都发挥着独特的作用。时域太赫兹方法使用亚皮秒近单周期电磁脉冲,这些覆盖了从低于40GHz到高于3THz的超宽带脉冲,具备着非常独特的功能。时域太赫兹仪器通常集超高分辨率雷达、非接触式超声波以及远红外光谱的功能于一身。目前,时域太赫兹技术已广泛应用于传感、成分

作者:Irl Duling,David Zimdars


从国土安全到药品质量控制,时域太赫兹(TD-THz)方法在很多应用中都发挥着独特的作用。时域太赫兹方法使用亚皮秒近单周期电磁脉冲,这些覆盖了从低于40GHz到高于3THz的超宽带脉冲,具备着非常独特的功能。时域太赫兹仪器通常集超高分辨率雷达、非接触式超声波以及远红外光谱的功能于一身。目前,时域太赫兹技术已广泛应用于传感、成分分析以及表面下成像等多种应用领域。

时域太赫兹传感在工业上的广泛应用需要完备的集成系统。太赫兹仪器必须能很容易地进行设置,这样,供应商或者用户就无需了解其内部的具体工作原理,而是将注意力集中在具体的应用上。时域太赫兹辐射通过光子学的方式产生并探测,如果装置需要自由空间光学元件的话,那么它在工业环境中则很难配置。使用光纤耦合的方法,系统可具备可交换的太赫兹发射器、接收器以及波形扫描仪。用户可以根据具体的应用需求选择仪器功能,或者让供应商提供一套完备的解决方案。最新一代的时域太赫兹仪器,让广泛的工业应用正在享受着太赫兹传感所带来的益处。
 


图1.第四代时域太赫兹系统(左图)在单个机箱内集成了第一代系统(右图)所有的必要部件,这使它能够适应更多的应用需求。

时域太赫兹技术的优势
太赫兹脉冲具有很多有用的特性,并且这些特性对于它所覆盖的光谱范围和电场的单周期性质而言,是独一无二的。与中红外波相比,大多数介电材料对太赫兹辐射的吸收较弱(见表)。这一特性使得太赫兹脉冲辐射能够用于不透明介质的表面以下更深层的探测。根据不同物质对太赫兹波的吸收和折射率的不同,可以采用透射或反射的模式对物体进行非破坏性成像。另外同样非常重要的是:许多物质因为声子相互作用、分子转动以及其他低能激发模式,会产生一些可测量的、独特的光谱特征。这些特性使得太赫兹辐射能够对纸张、纸板、塑料以及陶瓷等密闭的系统或物体进行成像,然后通过光谱频率分析和强度分析来确定成像物体的成分和密度。

时域太赫兹脉冲具有若干显著优点。太赫兹辐射是完全非电离的,其光子能量比软x射线小了六个数量级。很多太赫兹应用所需要的功率都不到1祑。因此,人们可以十分安全地使用太赫兹辐射,并且将它用于人体也是绝对安全的。


 
表:时域太赫兹辐射与材料的相互作用


由于太赫兹脉冲的波长比微波短,因此它可以提供更高分辨率的图像——3THz辐射的衍射极限小于250祄。此外,太赫兹成像的散射水平比典型的红外成像要小得多。太赫兹脉冲的单周期特性,可以实现类似于超声波的三维反射成像,但是其成像距离却可以长达几米。

太赫兹脉冲的超宽带宽可以避免单频成像所面临的干涉条纹问题。通过测量渡越时间,可以得出物体的厚度,不但没有指数衰减效应,而且具有很高的动态范围。此外,时域太赫兹接收器实际上也完全不受来自红外热辐射以及无线电波的电磁干扰的影响。
 


图2.太赫兹脉冲控制器的激光输出可以供给复用器,它为每八对时域太赫兹传感器头提供光学反馈以及独立的数据采集。

要想应用太赫兹辐射,通常需要一套包含太赫兹产生、探测、数据采集以及分析的完备系统。时域太赫兹仪器不但可以有效产生太赫兹脉冲,而且还集成了高灵敏度、高速的太赫兹辐射探测方法以及波形采集方法。尽管目前还有其他一些方法用以产生太赫兹脉冲(反向波振荡器、分子气体激光器),但它们在尺寸、便携性以及造价方面都各有不足。在室温条件下,连续波太赫兹探测器的灵敏度较差,极易受到背景的干扰,需要较高的电压源。与之相比,时域太赫兹系统的时间选通探测器具有较大的动态范围,并且功耗较低。

大多数商用的时域太赫兹系统都利用超快激光照射施加偏压的光电导天线来产生太赫兹脉冲,所用的激光脉冲的宽度通常小于0.2ps。时域太赫兹探测使用类似的、未施加偏压的天线装置。当同时受到太赫兹电场以及超快激光脉冲的辐照时,探测器产生准直流的光电信号。太赫兹接收器的时间快门利用可变光学

延迟线进行频扫。太赫兹波形的产生类似于采样示波器,频率一般在20Hz~4kHz之间。

这种方法具有很多优点。首先,由于脉冲峰值功率较高以及探测器的自然时间选通作用,系统的信噪比(S/N)很高,因此探测灵敏度也很高。例如,在最新的系统中,峰值频率处的信噪比超过75dB。此外,较短的脉冲宽度意味着较宽的频域,因此只需对透射或反射波形进行简单的傅立叶变换便可进行光谱分析。另外,同样重要的是,探测器的时间选通作用提供了渡越时间信息,以便进行三维成像,且分辨率超过50祄。

技术平台
新一代时域太赫兹系统依赖具有可互换元件的平台,通过光纤相互耦合,从而利用近红外波长超快激光脉冲的优势。永久校准的微型太赫兹发射模块和接收模块按照Telcordia电信标准进行封装,并且内部集成有偏压元件和前置放大器。这些光纤耦合的模块允许可自由定位的太赫兹传感器头放在距离系统30米远的地方,甚至可以安装在扫描台上,用于成像。 
 

图3. 时域太赫兹扫描可以很容易地识别隐藏的物体(上图)。除了物体的形状外,材料的折射率以及通过材料的光学时间延迟,也可对危险物进行自动识别。下图显示了喷有航天飞机燃料箱用泡沫绝缘材料的测试样板。图像显示了喷过泡沫的金属表面。左边是两英寸高的金属强化棒,右边清楚地显示了探测到的孔穴。


与第一代自由空间太赫兹仪器相比,第二代、第三代太赫兹仪器免去了静态光学传送的限制。然而,这些系统存在的潜在不足是:用户需要购买、操作并维护一台通过自由空间耦合到系统中的超快激光器。集成了激光器的完备的太赫兹系统,其尺寸和重量与一台小型电冰箱差不多。
 

随着技术的飞快进展,第四代太赫兹系统充分利用了业界在紧凑、无需手动的超快激光器技术方面取得的最新成果(见图1)。一台机架式太赫兹系统的重量小于50磅(约23千克),并且其内部集成了超快激光器、高分辨率高速波形扫描仪以及独立的数据采集系统。波形分析结果(如重量、水分含量)可以通过实时(100Hz)的方式直接得出。使用太赫兹系统非常简便,只需要一台笔记本电脑即可。
Picometrix公司的第四代时域太赫兹平台可与一整套光纤耦合的可互换太赫兹发射器、接收器以及完全集成的传感器头协同工作。标准的控制单元可以进行双通道操作(如信号与参考)。八通道复用器允许由单个控制单元驱动的多对传感器头同时工作(见图2)。这种模块化方法支持生产线上不同位置的多个测量或者进行阵列测量,从而避免了使用多套仪器。系统中内置的控制器还可以驱动外部扫描仪,以提供高速成像。

广泛应用
时域太赫兹仪器在许多行业中都有着广泛的应用。例如,在制药以及食品生产加工行业,通常都对水汽含量非常关注。太赫兹传感可以在包装过程中快速对产品中的水汽含量进行测量,这一点对于制药和食品生产加工行业来说至关重要。在药品生产过程中,许多药片会在表面涂覆一层防潮层,制造商需要在涂覆防潮层后估计出药片中的水汽含量。同样,加工以及烘烤过的食品的保质期也与水汽含量密切相关。

时域太赫兹系统的其他应用还包括对气体、液体、固体进行化学分析以及痕量测量,这在化学工业中对于保障安全非常有用。由于这些系统的取样窗口宽度仅为皮秒量级,并且取样率可以达到4kHz,因此最新型的太赫兹系统是对反应过程、食品加工、动态干燥等进行实时监测的理想选择。此外,在药品制造过程中的在线监测方面,时域太赫兹系统也有着非常重要的优势,因为目前制药业正在经历从成批处理到连续生产的转变。时域太赫兹系统的一些其他应用还包括:测量密度或浓度、测量干质量,或者通过对物体内部隐藏的缺陷以及孔穴进行成像以确定结构的完整性等。

图3中给出的两项应用(行李检查和航天飞机外部燃料箱上泡沫材料的完整性测量)很好地说明了时域太赫兹探测的实际用途。

在曼哈顿二期计划的指引下,美国国土安全部一直致力于研究对航空行李进行检查的不同技术,时域太赫兹探测已经显现出了若干优势。由于可以采用透射模式和反射模式对行李进行探测,太赫兹传感可以在有限的几次观察后生成三维图像,无需采用轴向计算断层扫描。此外,时域太赫兹系统还可以通过对波形的分析,来探测某些特定材料。

在哥伦比亚号航天飞机失事以后,美国国家航天宇航局(NASA)的返回式航天项目需要对飞船外部燃料箱上的绝缘泡沫进行非破坏式评估。在这项应用中,采用背向反射测量,通过对收发器进行光纤耦合,简化了对大型装置的扫描过程。对低密度泡沫材料成像时获得的高分辨率和高对比度,是时域太赫兹技术在该应用中显示出的最大优势。

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