太赫兹测试技术
太赫兹介电检测方法
太赫兹介电检测方法
太赫兹介电检测技术是一种利用太赫兹波进行介电特性测试的方法，可用于材料测试、生物医学领域、通信技术等多个领域。
太赫兹介电检测中，太赫兹波被用作一种非常敏感的电磁波，这种波长范围在红外线
和微波之间，对于材料的电学和光学特性非常敏感，因此被广泛应用于材料测量和分析。
太赫兹介电检测工作原理是通过射频电场与样品中电荷的相互作用，测量材料的介电
常数，从而得知材料的电学特性，如电容率、介电损耗、电导率等。
它采用非接触式的测
试方式，无需对样品进行任何处理，因此不会破坏样品，适用于材料的在线检测。
太赫兹介电检测技术的应用非常广泛，特别是在材料测试上，如颗粒物检测、涂层检测、建筑材料检测等方面都有广泛的应用。
此外，它也被用于生物医学领域的细胞和组织
成像、癌症诊断、药物传递等方面；在通信技术中，太赫兹介电检测技术也被用于无线电
频道选择、太赫兹无线通信等。
太赫兹介电检测技术有许多优势，例如测量范围广，可以测量从毫米到纳米的样品；
非接触式测试方式可以保证测试结果的准确性；测试速度快，一般为几秒钟到几分钟；可
以测量透明、半透明和不透明的材料。
不过，太赫兹波的穿透深度较小，一般只能测量材料的表面性质，因此在测量各向同
性材料和不均匀材料时可能会存在一定的误差。
此外，太赫兹介电检测技术的设备成本较高，对于某些应用领域的普及性有一定的限制。
太赫兹成像检测算法研究
太赫兹成像检测算法研究太赫兹成像技术是一种新兴的无损检测技术，主要用于材料缺陷检测、安全检查、医疗成像等领域。
太赫兹波域的成像系统由发射和接收两个部分组成，通过发射器将太赫兹波辐射到被测物体表面，被测物体发射的信号经过接收器采集后，通过算法进行成像处理，得到被测物体的图像信息。
本文将介绍太赫兹成像检测算法相关研究进展。
一、频域成像算法频域成像算法通常是通过傅里叶变换将时域的信号转换为频域信号，再对信号进行处理。
在太赫兹波成像中，频域算法可以对成像效果进行优化，提高成像精度。
目前主要的频域成像算法包括反演算法、极化成像算法和光学实现成像等。
反演算法是太赫兹成像的一种重要算法，其核心思想是根据入射太赫兹波与被测物体的相互作用机理，建立被测物体的反演模型，从而重建出被测物体图像。
反演算法主要包括基于模型的反演算法和基于数据的反演算法。
基于模型的反演算法通常是通过建立被测物体的参数化模型，将太赫兹波传播过程的物理公式代入模型，利用数值计算方法求解反演问题。
基于数据的反演算法则是通过将采集到的信号数据作为反演问题的输入量，通过优化算法求解反演问题，得到被测物体的图像信息。
反演算法在太赫兹成像中具有很高的应用价值，但其在算法求解的过程中需要进行较多的数值计算，计算量较大。
极化成像算法是通过分析太赫兹波的极化信息进行图像处理。
太赫兹波的极化状态是由物体反射、传输和吸收等因素影响的，不同的物体极化状态也是不同的，因此极化成像可以更准确地反映物体的特征。
目前，太赫兹极化成像主要采用相位解调技术和微弱信号提取技术进行成像处理。
光学实现成像主要是通过调制太赫兹波的振幅和相位，通过光学成像器件将太赫兹波转换为可见光，从而实现太赫兹波的成像功能。
目前光学实现成像技术已经被广泛应用于太赫兹波成像领域，具有较好的成像效果和成像速度。
太赫兹时域成像技术通常是通过将太赫兹波在被测物体中的传播时间作为成像参数进行图像处理。
与频域成像算法不同，时域成像算法不需要进行数值计算，其算法流程简单，成像速度快速。
太赫兹技术应用
太赫兹技术应用的实际应用情况引言太赫兹技术是指在太赫兹频段（0.1-10 THz）进行研究和应用的一种新兴领域。
太赫兹波是介于红外线和微波之间的电磁波，具有高穿透力、非离子性和无辐射危害等特点。
近年来，太赫兹技术在多个领域得到了广泛的应用，包括材料科学、生物医学、安全检测等。
本文将详细描述太赫兹技术在这些领域中的应用背景、应用过程和应用效果。
一、材料科学领域中的太赫兹技术应用1. 应用背景材料科学是太赫兹技术最早被应用的领域之一。
传统的材料性能测试方法往往需要对样品进行破坏性测试或使用昂贵复杂的设备，而太赫兹技术可以通过非接触式测量手段实现对材料内部结构和性能的快速准确分析。
2. 应用过程太赫兹技术在材料科学中的应用过程通常包括以下几个步骤： #### a. 信号发射与接收通过太赫兹源产生太赫兹波，并使用太赫兹探测器接收反射、透射或散射的信号。
这些信号包含了材料的特征信息。
#### b. 数据处理与分析对接收到的信号进行数据处理和分析，提取有用的信息。
常用的方法包括时域分析、频域分析、图像重建等。
#### c. 结果展示与解释将处理和分析得到的数据结果进行展示，并根据结果解释材料的性能和结构。
3. 应用效果太赫兹技术在材料科学中的应用效果主要体现在以下几个方面： #### a. 材料成分分析太赫兹技术可以快速准确地检测材料中不同成分的存在和含量，例如聚合物、金属、陶瓷等。
这对于材料研发和质量控制具有重要意义。
#### b. 材料缺陷检测太赫兹技术可以探测材料中微小缺陷，如裂纹、气泡等。
这对于材料的评估和改进具有重要意义。
#### c. 材料性能表征太赫兹技术可以测量材料的电磁性能，如介电常数、导电率等。
这对于材料的设计和优化具有重要意义。
二、生物医学领域中的太赫兹技术应用1. 应用背景生物医学领域是太赫兹技术应用的另一个重要领域。
太赫兹波在生物组织中具有较好的穿透力，同时对水分子有较强的吸收作用，因此可以用于非侵入式地探测和诊断生物组织。
太赫兹技术在无损测试及成像领域的应用
太赫兹技术在无损测试及成像领域的应用太赫兹辐射是介于毫米波和红外线之间的电磁波辐射。
它的频率范围约为0.1~10太赫兹，波长为0.03~3毫米。
相比于传统的X 射线和红外线技术，太赫兹技术具有更高的穿透力和更高的分辨率。
因此，太赫兹技术在无损测试及成像领域的应用十分广泛。
一、无损测试无损测试是指在不破坏被测物体的条件下，对其进行检测和评估的方法。
太赫兹技术可以对不同材料的内部结构进行检测，包括非晶态材料、多孔材料、纤维材料等。
太赫兹技术可以用来检测各种缺陷，如裂纹、夹杂、氧化等，并且能够发现其他方法无法检测到的微小缺陷。
太赫兹波的穿透力和分辨率还可以用于材料母线、胶合板和复合材料的生产控制。
太赫兹技术能够快速地检测材料中的缺陷和变形，从而快速定位和解决产生的问题。
二、成像除了无损测试，太赫兹技术还可以用于图像成像。
与其他成像技术相比，太赫兹技术的分辨率更高，成像速度更快，同时可以在多种介质下进行成像。
在生物领域中，太赫兹成像技术已经成功应用于皮肤病的检测。
通过对皮肤的太赫兹成像，医生可以看到皮肤中微小的血管和细胞组织结构，从而快速发现皮肤病，并制定有效的治疗方案。
在安全领域中，太赫兹成像技术已经广泛应用于安检。
太赫兹辐射可以穿透衣物、纸张、塑料等材质，同时又不危害人体健康，因此逐渐成为一种安全、高效的安检手段。
三、未来发展虽然太赫兹技术在无损测试及成像领域具有很多优势，但是目前太赫兹技术的应用还面临着一些挑战，其中最主要的是技术成本和设备成熟度。
然而，随着太赫兹技术的不断发展，技术成本会越来越低，设备也会变得越来越小型化和可靠，这将促进太赫兹技术在无损测试及成像领域的广泛应用。
总之，太赫兹技术在无损测试及成像领域的应用前景广阔。
通过太赫兹技术的检测和成像，可以快速地发现材料中的缺陷和病变，从而为生产控制和治疗提供有力的支持。
随着技术的不断发展，太赫兹技术将会在更多领域发挥更加重要的作用。
太赫兹脉冲测量技术及其在计量领域的应用
文章 编号 ： １ ０ ０ ０ — ７ ２ ０ ２ （ ２ ０ １ ３ ）０ ５ — ０ ０ ０ １ — ０ ８
中图分类号 ： Ｏ ４ ４ １
文献标识码 ： Ａ
太 赫 兹脉 冲测 量 技 术 及 其在 计 量领 域 的应 用
龚鹏伟 谢 文 姜 河 马红梅 杨春涛
（ 北 京无 线 电计 量测 试研 究所 ， 北京 １ ０ ０ ０ ３ ９ ）
摘 要 本文对国内外太赫兹脉冲的产生和测量技术进行了综述， 详细介绍了太赫兹脉冲产生与测量技术
的原理和优缺点 ， 以及太赫兹脉冲技术在宽 带示 波器 、 超快 光 电探测器 、 超 快脉 冲产生 器等仪 器设备 计量 中的应
用。
关 键词 太赫兹脉冲 太赫兹产生 太赫兹测量 太赫兹计量
Ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｑ ｕｅ ｏ ｆ Ｔｅ ｒ ａ ｈ ｅ ｒ ｔ ｚ Ｐｕ ｌ ｓ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ Ａｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ
Ｍｅ ｔ ｒ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
ＧＯＮＧ Ｐ ｅ ｎ ｇ － － ｗｅ ｉ ＸＩ Ｅ Ｗｅ ｎ Ｊ Ｉ ＡＮＧ Ｈｅ ＭＡ Ｈｏ ｎ ｇ ・ － ｍｅ ｉ ＹＡＮＧ Ｃ ｈ ｕ ｎ － － ｔ ａ ｏ
太 赫兹 脉 冲作 为太 赫兹 技术发 展 的重要方 向之
一
度脉冲宽度在 （ ０ ． １ ～１ ０ ） ｐ ｓ 的脉冲信号。太赫兹 的 长波段与毫米波 、 亚毫米波相重合 ， 其发展主要依靠 电子学技术 ； 而它的短波段与红外光相重合 ， 其发展 主要 依靠 光子 学 技 术 。近 ２ Ｏ年 来 的发展 使 得 太 赫 兹的产生技术 、 传输技术 和测量技术都得 到了极大 的提高 ， 与之 相对应 的太赫 兹器件 、 太 赫兹 仪器 相继
太赫兹扫描技术在老旧小区改造中的应用
太赫兹扫描技术在老旧小区改造中的应用摘要：太赫兹扫描技术是测绘的一项新兴技术，它能够完成高精度地数据扫描和实物的三维重建。
该技术能够真正做到直接快速的从实物中进行逆向三维数据采集及模型的重新构建，没有任何真正的表面处理，每个数据都直接从目标采集的数据，使得最后处理的数据是真实可靠的。
因为技术突破了传统的单点测量方法，其最突出的特点就是精度高、速度快且近似原形，是当今国内外测量方面的热点研究领域之一。
相较于传统的测量方法，太赫兹扫描具有效率高、精度大、费用低、安全性好等一系列优点。
关键词：老旧小区，测绘，太赫兹，效率0 引言随着时间的流逝，许多居民小区出现了不同程度的外立面老化，配套设施落后，漏水等突出问题。
同时随着人们经济条件的提高，对居住环境必然提出了更高的要求，老旧小区的种种弊端与现代人们对美好生活的向往显得格格不入，以至于不能很好的人们的生活需求，所以一些老旧小区的硬件设施亟需进行改造。
有计划的对老旧小区进行适应性改造及再利用是大势所趋，而平面图，立面图和剖面图是老旧小区改造的数据来源[1]。
1 工程概况张家花园老旧小区改造提升项目主要为张家花园5栋建筑的提档升级改造，地上改造面积约1.2万平方米，地下新建车库0.35万平方米。
分别是张家花园189#、190#、198#、199#、201#。
其中189#楼、198#楼、201#楼均为4层坡屋顶砖木结构的历史保护建筑，内部墙体及楼板需拆除并重新修建钢筋混凝土框架结构，外墙需修缮加固并保留原有历史风貌。
根据重庆市建设工程质量检验测试中心出具的检测报告，189#楼、198#楼、201#楼承重墙或柱表面风化、剥落、砂浆粉化，混凝土保护层因钢筋锈蚀而严重脱落、露筋，木楼梯、木楼板严重腐朽、破损、虫蛀，坡屋顶连接不可靠，墙体表面风化、剥落、砂浆粉化，经综合分析后，将189#楼、198#楼、201#楼房屋危险性等级评定为C级。
2 工程重难点为方便老旧小区重新设计，制定改造方案，改造工程量初步计算等提供依据，需获得建筑的平面图，立面图和剖面图等基础数据。
太赫兹技术在食品安全检测中的应用研究
太赫兹技术在食品安全检测中的应用研究一、前言食品安全一直是一个备受关注的问题，全球范围内对食品安全的监管、检测和管理日益严格。
目前，食品的检测技术缺乏高效、快速的方法，而太赫兹技术成为最新的食品检测方法之一。
二、太赫兹技术概述太赫兹技术是指可用于太赫兹频段的技术，其频率处于电磁波和红外线之间（0.1-10 THz）。
太赫兹波能够穿透许多物质，因此被广泛用于无损检测、成像和识别等领域。
太赫兹波在大气中传播的会受到气体吸收和散射的影响，导致信号衰减和噪声增加。
太赫兹技术处理这些问题的方法之一是通过应用多径传播理论和光学方法来改善传输质量。
三、太赫兹技术在食品加工中的应用1.食品成分分析太赫兹技术可以用于分析食品的化学成分，例如水分和脂肪含量。
它可以穿透食品中的多层结构，如果肉、皮肤和籽壳，然后获取每个层次的反射光谱，以确定食品的化学成分。
2.食品质量检测太赫兹技术可以检测食品材料的折射率和吸收系数，以识别不同的食品。
同时，它也可以检测食品中的致癌物质等有害物质，以保障消费者的健康。
3.食品存储周期检测太赫兹技术可以监测食品在存储或运输过程中的变化。
它可以检测水分、蛋白质和糖的含量变化、微生物污染等，这些因素可能会降低食品的质量和安全性。
四、太赫兹技术在食品安全检测中的应用1.农药残留检测现今农业中依然在使用大量杀虫剂和除草剂，其中不少成分可能对人体健康构成威胁，而通过太赫兹技术可以检测食品中的农药残留量，保障消费者的健康。
2.重金属残留检测重金属污染是一个长期存在的问题，而重金属通过太赫兹技术的检测可以检测食品中的铅、锌、铜、铬等重金属元素的存在量。
3.食品真假鉴别太赫兹技术可以对食品进行非破坏的分析，对食品进行真假鉴别，识别一些可能被伪造的高档食品或饮料等。
五、太赫兹技术的优势1.高灵敏度太赫兹技术对于例如食品中极小的量也可以进行检测，并且仅需要用极少量的样本。
2.非破坏性实验可只需抽取食品的极少量或样品，不必破坏测试材料和产品本身。
太赫兹综述―THz技术的应用及展望.
THz 技术的应用及展望*王少宏1许景周1汪力2张希成1(1 美国伦斯勒理工学院物理系特洛伊 NY 12180(2 中国科学院物理研究所光物理开放实验室北京 100080摘要自20世纪80年代中期以来,THz 辐射的研究取得了重要的进展.文章介绍和讨论了以THz 辐射为探测光源的时域光谱测量在基础物理、信息材料、化学和生物材料研究中的应用,以及THz 成像和THz 雷达技术在材料研究、安全检查和生物医学等领域的应用前景.关键词 THz 辐射,时域光谱,成像APPLIC ATIONS AND PROS PECTS OF TER AHERTZ TECHNOLOGYWANG Shao Hong 1XU Jing Zhou 1WANG Li 2ZHANG Xi Cheng1(1 De pa rtmen t o f Ph ysic s ,Ren ssela er Polite chn ic Institu te ,Tory ,NY 12180(2 Laboratory o f Optica l Ph ysic s ,Institu te o f Physics ,Ch in ese Ac ad emy o f Scie nce s ,Bei jing 100080,Ch inaAbstract Re markable progress in research on terahe rtz(THzradia t ion has been achieved since the mid 80!s.We re view the applications of time domain spectroscopy with THz radiation as the probe source in basic physic s,infor mation materials science,che mistry and biology,along with the prospects of THz imaging and THz radar applied to ma terials research,security inspec tion and biomedicine.Key words THz radiation,time domain spec trosc opy,imaging* 2000-12-04收到初稿,2001-06-01修回THz 辐射通常指的是波长在1mm ∀100 m (300GHz ∀3THz区间的远红外电磁辐射,其波段位于微波和红外光之间.在20世纪80年代中期以前,由于缺乏有效的产生和检测方法,科学家对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限,以致该波段被称为电磁波谱中的THz 空隙.近十几年来超快激光技术的迅速发展,为THz 脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源,使THz 辐射的机理研究、检测技术和应用技术得到蓬勃发展[1].THz 技术之所以引起广泛的关注,首先是由于该波段电磁波的重要性.物质的THz 光谱(包括发射、反射和透射包含有丰富的物理和化学信息,研究材料在这一波段的光谱对于物质结构的探索具有重要意义.其次,THz 脉冲光源与传统光源相比具有很多独特的性质,其中包括:(1瞬态性:THz 脉冲的典型脉宽在皮秒量级,不但可以方便地进行时间分辨的研究,而且通过取样测量技术,能够有效地抑制背景辐射噪音的干扰.目前,辐射强度测量的信噪比可大于1010.(2宽带性:THz 脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡,单个脉冲的频带可以覆盖从GHz 至几十THz 的范围.(3相干性:THz 的相干性源于其产生机制.它是由相干电流驱动的偶极子振荡产生,或是由相干的激光脉冲通过非线性光学差频变换产生.(4低能性:THz 光子的能量只有毫电子伏特,因此不容易破坏被检测的物质.这些特点决定了THz 技术存在的价值,并可以预见其巨大的应用潜能.下面分别叙述THz 光谱的若干技术应用.1 THz 技术作为材料的分析和测试手段在THz 技术中,THz 时域谱(THz-TDS是一种非常有效的测试手段.典型的THz 时域谱实验系统主要是由超快脉冲激光器、THz 发射元件、THz 探测和时间延迟控制系统组成,如图1所示.来自超快激光器的具有飞秒脉宽的激光脉冲串列被分为两路.一路作为抽运光,激发THz 发射元件产生THz 电磁波.THz 发射元件可以是利用光整流效应产生THz 辐射的非线性光学晶体,也可以是利用光电导机制发射THz 辐射的赫兹偶极天线.另一路作为探测光与THz 脉冲汇合后共线通过THz 探测元件.由于THz 波的周期通常远大于探测光的脉宽,因此探测光脉冲通过的是一个被THz 电场调制的接收元件.和THz 脉冲的激发方式类似,检测技术也分为两种:(1使用电光(EO晶体作为THz 脉冲接收元件,这里利用了晶体的Pockels 效应,即THz 电场对探测光脉冲的偏振状态进行调制;(2使用半导体光电导赫兹天线作为THz 接收元件,利用探测光在半导体上产生的光电流与THz 驱动电场成正比的特性,测量THz 脉冲的瞬间电场.延迟装置通过改变探测光与抽运光间的光程差,使探测光在不同的时刻对THz 脉冲的电场强度进行取样测量,最后获得THz 脉冲电场强度的时间波形.图1 THz 时域谱测试系统示意图对THz 时间波形进行傅里叶变换,就可以得到THz 脉冲的频谱.分别测量通过试样前后(或直接从试样激发的THz 脉冲波形,并对其频谱进行分析和处理,就可获得被测样品介电常数、吸收系数和载流子浓度等物理信息.THz 测量技术的高信噪比和单个THz 脉冲所包含的宽频带,使得THz 技术能够迅速地对材料组成的微细变化作出分析和鉴定.随着信息技术的发展,目前对光电子材料响应速率的要求已经达到了GHz 甚至THz 的范围.THz 时域光谱技术的非接触测量性质在这一方面具有独特的优势[2],能够对半导体和电介质薄膜及体材料的吸收率和折射率进行快速、准确的测量[3],得到吸收率和折射率在GHz ∀THz 频段精确的分布.特别应该指出的是,THz 脉冲的相干测量技术在获得脉冲电场振幅的同时,也直接测量了脉冲各频率分量的位相,而不需要求助于Kramers-Kronig 关系来间接得出.这一特性使THz 技术尤其适用于材料折射率的检测,这往往是传统的光学方法所难以测量的.在传统的THz 时域谱测量系统的基础上,加入对被测样品的调制,就形成了THz 时域差异谱技术.应用此技术可实现对微米乃至亚微米量级厚度的薄膜进行介电常数的测量[4].THz 时域光谱技术对材料的光学常数测量的精度可高于1%[5].由于许多大分子的振动能级或转动能级间的间距正好处于THz 的频带范围,THz 时域光谱技术在分析和研究大分子(质量数大于100的分子方面具有广阔的应用前景.实验表明,利用THz 时域谱技术进行DNA 鉴别是可能的(见图2[6].此外,THz 还被用来研究某些生化试剂和酶的特性[7],等等.由于探测系统的取样窗口在亚皮秒的时间尺度,当存在强背景辐射时,绝大部分背景噪音信号可以被完全排除,这一特点使THz 时域谱技术在某些场合具有不可替代的作用.例如,在对火焰的研究方面,THz 时域谱技术就是目前仅有的、对非相干辐射不敏感的探测系统[8].图2 不同DN A 样品THz 吸收率随波数的变化[6]在基础物理学研究中,THz 技术同样发挥着重要的作用.由于THz 辐射脉冲的时间宽度在皮秒和亚皮秒的量级,因此THz 技术被广泛应用于超快时间分辨的光谱探测,如半导体和超导体中的超快载流子动力学过程和电声子相互作用过程[9,10],高温超导材料中库伯电子对在临界温度附近的位相相关性的动力学研究[11]等.2 THz 成像技术可见光、X 射线、电子束、中近红外光和超声波是医学诊断、材料分析以及在工业生产等诸多领域广泛应用的主要成像信号源,与以上的光源相比,THz 辐射对于电介质材料具有类似的穿透效果,除了可测量由材料吸收而反映的空间密度分布外,还可通过位相测量得到折射率的空间分布,获得材料的更多信息,这是THz 时域光谱的独特优点.此外,THz 源的光子能量极低,没有X 射线的电离性质,不会对材料造成破坏.因此,THz 成像技术有望在安全检查和医学检查等方面成为X 射线检测的补充手段.THz 成像所依据的基本原理是:透过成像样品(或从样品反射的THz 电磁波的强度和相位包含了样品复介电函数的空间分布.将透射THz 电磁波的强度和相位的二维信息记录下来,并经过适当的处理和分析,就能得到样品的THz 图像.THz 成像系统的构成如图3所示.THz 成像系统的构成和工作原理与THz 时域谱测试系统相似.THz 波被聚焦元件聚焦到样品的某一点土.收集元件则将透过样品(或从样品反射的THz 波收集后聚焦到THz 探测元件上.THz 探测元件将含有位置信息的THz 信号转化为相应的电信号.图像处理单元将此信号转换为图像.图3 THz 成像系统示意图贝尔实验室的一个研究组已成功地应用THz 扫描成像技术拍摄到封装在IC 芯片中的封装金属引线[12].THz 成像技术还可以对半导体材料或超导体材料物理特性的分布特征进行研究,如测量超导电流的矢量场分布图像等[13].THz 成像在生物医学样品中的应用也已经得到了广泛的关注[14,15].THz 的近场成像技术已经使得其分辨率达到了波长以下的尺度.利用近场成像和动态孔径的原理,目前THz 显微成像的分辨率已达到几十微米,实例见图4[16].在图4中,为提高传统THz 显微成像的分辨率,增加了一路控制(gating光,控制光经聚焦照射在半导体中激发光生载流子,使焦点处光生载流子的局部浓度高于未遇控制光的部分,局部浓度高的部分对THz 的阻挡本领偏高,这样就造出一个负的动态小孔 .使用了动态孔径的近场成像系统大大提高了THz 成像的分辨率.在较长的一段时间里,THz 成像技术应用中的障碍之一在于设备复杂昂贵,对图像信息的分析和处理技术也有待进一步实用化.目前,THz系统已经图4(a使用了动态孔径的近场成像系统;(b利用带有动态孔径的近场成像系统扫描出的图片实现了小型化,而连续THz 辐射的产生技术也将使THz 技术不再依赖于昂贵的飞秒激光器.可以乐观地期望,随着技术的发展,THz 成像的应用前景将是非常广阔的.3 应用THz 雷达技术进行敏感探测能否同微波一样,THz 也用来制成雷达 ?能否利用来自目标各层次界面反射的THz 电磁波的波形和时间差信息,探知目标或探测其内部形貌呢?答案是肯定的.图5就是利用上述技术获得的硬币不同层面的反射像.从技术特点上看,由于THz 辐射具有比微波更短的波长以及更为精确的时间检测装置,THz 雷达技术可以探测比微波雷达更小的目标和实现更精确的定位,因而THz 雷达技术有望在军事装备的实验室模拟研制、安全监测和医学检验上发挥其潜力.在实验室,已经利用THz 雷达技术对动物组织的烧伤进行了探测,并且可以对烧伤深度和程度作出标定,以辅助诊断皮肤的烧伤程度[2].综上所述,作为一种新兴的光谱分析手段,THz 技术由于光源本身和探测技术所具有的特点,在时域光谱研究和应用等领域正呈现出蓬勃的发展趋势,在基础研究、信息和光电子材料的检测、化学和图5 利用THz发射接收装置测量硬币的逐层像(aTHz发射接收装置成像系统图;(b硬币的THz逐层成像和光学像的比较(图中纵、横坐标的单位为cm生物样品的分析鉴定、生物医学、物体内部逐层探测,乃至现代通信技术等领域都展现出巨大的应用潜力.参考文献[1]Verghese S,McIn tos h K A,Brown E R.IEEE Tran s.Mic rowaveTh.Tech.,1997,45:1301[2]Mittleman D M,Gup ta M,Neela mani R e t 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太赫兹测试技术
来源：中国电子科技集团公司第四十一研究所
摘要：本文主要介绍基于毫米波向上扩展方式的THz测试技术，主要包括 THz 信号发生、THz 信号功率和频谱检测及矢量网络分析等相关仪器的实现方案和目前国内外达到的主要技术指标。
关键词：太赫兹（THz），测试与测量，仪器
一、引言
THz(TeraHertz)频段是指频率从十分之几到十几个THz，介于毫米波与红外光之间相当宽范围的电磁辐射区域，又称T射线(Terahertz-Ray)，是电子学与光学的交界处，无线电物理领域称其为亚毫米波(SMMW，Sub-Millimeter Wave)，而光学领域则习惯称之为远红外辐射(FIR，
Far-Infra-Red)，长期以来，由于缺乏有效的THz辐射产生和检测方法，人们对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限，以致于该波段被称为电磁波谱中的THz空隙。
该波段也是电磁波谱中有待进行全面研究的最后一个频率窗口。
THz电磁波及其应用技术已经成为科学界的“热点”领域。
它在物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文等方面具有重大的科学价值和广阔的应用前景。
测试与测量技术是科学研究的基础，THz测试与测量仪器设备因技术难度大，发展相对缓慢，造成了THz技术研究相对滞后。
在THz测试技术中首先要解决的是THz电磁信号的发生技术、THz 电磁信号的频率和功率检测技术，并以此为基础的大动态网络参数测试技术，这也是THz技术研究领域的最前沿问题。
THz信号的发生和接收有两种发展方向，一种是从红外往下扩展，一种是从毫米波向上扩展，一般红外向下扩展方式产生的THz信号具有输出功率高、频率高的特点，但是分辨率较低；毫米波向上扩展方式产生的THz信号输出功率小，频率上限也稍低，但是分辨率高，本文主要讨论的是基于毫米波向上扩展方式的THz测试技术，因此内容主要涉及到THz的频率低端。
二、THz 电磁波信号的产生技术
图1 中国电科41所THz倍频源
测试仪器的THz电磁波信号产生，一般分为基于光子学的THz信号发生方法和电子学的THz信号发生方法。
基于光子学的方法有：自由电子激光器、电光晶体THz脉冲源、瞬时光电导产生THz 电磁脉冲等。
基于光子学的THz信号发生器，具有频带宽（从0.1THz至30THz），输出功率较大（连续波输出功率可达到百毫瓦量级）的特性，但频率分辨率相对较低（GHz到MHz量级）；
基于电子学的THz信号发生器主要包括返波管直接基波振荡器和基于微波信号发生的肖特基二极管倍频器。
基于电子学的THz信号发生器最高频率达到1.9THz，返波管基波振荡器输出功率达到毫瓦量级，输出频谱纯度高（杂散可达到-60dBc）；基于微波信号发生器，通过肖特基二极管倍频的THz信号源，输出功率相对较小（与同频段返波管小10dB左右），但其具有体积小，结构紧凑，使用方便等优势。
图1是中国电科41所基于倍频方案的THz 信号发生器实物图，图2和图3是1mm频段倍频源典型输出功率实测曲线。
图2 AV82406C信号源输出功率
图3 AV82406D信号源输出功率
三、THz 电磁波信号的检测技术
THz电磁波信号的检测主要方法有：用飞秒激光取样的电光晶体探测器。
探测光束在Pockels 效应下被THz脉冲电场调制，同时THz时域波形被复制到展宽的探测光频域谱上，信号被光电二极管接受并检测。
使用飞秒激光触发的电光晶体探测器的显著特点是具有极宽的频谱响应和非常高的测量信噪比，适合于成像测量，缺点是装置比较复杂，价格昂贵。
超导SIS （Superconductor-Insulator-Superconductor）混频检测器。
SIS 探测器以光子辅助隧穿机制
为理论基础，探测频率范围约为0.1THz～1.2THz，需要在液氦温度下工作。
此外，在室温环境下，半导体结构也是可以使用的，平面的肖特基二极管已经在2.5THz被成功应用在空间技术中。
作为测试仪器的THz功率测量设备主要基于热电效应的太赫兹光功率测试探测器。
图4 THz12D-3S-VP功率测试系统
图5 ERICKSON公司PM4功率计
Gentec-EO公司研制的太赫兹光功率测试探测器主要代表产品是THz 12D-3S-VP 探测器，该探测器基于温差电效应响应太赫兹光，探测器将光信号转换为电信号之后，通过控制器与PC机相连，在PC机上实时输出太赫兹光功率，如图4所示。
频率范围达到0.1～30THz，最小测量功率为
-40dBm；图5是ERICKSON公司PM4功率计，测试频率范围：80-1100GHz，功率测试范围为
1uW-200mW。
中国电科41所研发了基于肖特基二极管的检波式系列功率探头（如图6所示），相对热电式探头，其相应速度更快，稳定性更好，主要技术指标如表1所示。
表1：中国电科41所THz功率探讨主要技术指标
四、THz 电磁频谱分析技术
THz 频谱分析大多数采用微波毫米波频谱分析仪加下混频模块来实现，早期的混频模块直接利用微波频谱分析仪的本振（一般都低于20GHz），高次谐波混频，如图7所示，其优点是：混频模块简单，体积小，方便与被测件连接，缺点是：变频损耗大，灵敏度低，在显示器中出现的假谱众多（如图8a所示），不容易识别被测信号的真实频率。
图 7 采用高次谐波混频的 THz 频谱分析系统
中国电科对微波频谱分析仪的本振进行多次倍频放大，降低谐波混频次数，不仅大大降低变频损耗，提高THz频谱分析系统的灵敏度，另外，中国电科41所推出了假谱识别选件，通过一键操作，可以使得显示屏上的假谱大大减少（如图8b所示），给操作者带来极大方便。
图8 THz测试频谱显示图
五、THz 网络分析仪
THz 矢量网络分析仪利用矢量网络分析仪主机+扩频控制机+S参数测试模块组成，原理框图如图11所示。
矢量网络分析仪扩频控制机对来自微波矢量网络分析仪主机的射频与本振信号进行功率放大稳幅并功分后分别送两个S参数测试模块，射频激励信号在S参数测试模块中由多级放大倍频，产生 THz 信号，定向耦合器实现THz波参考信号与测试信号的分离。
THz 参考信号由混频器下变频为中频信号，通过矢量网络分析仪扩频控制机放大后输入至矢量网络分析仪主机作为参考中频信号和传输中频信号，完成正向中频信号的提取。
主机对全部中频信号进行处理，检测出信号的幅值和相位的信息及相关比值。
THz S参数测试系统实物如图12所示。
该系统具有组成方式灵活、通用化较好的优点。
图13和图14是中国电科41所开发的1mm矢量网络分析仪的动态范围实测曲线。
图11 THz 矢量网络分析仪系统构成
图12 THz矢量网络分析仪系统照片
图13 0.22THz矢网的动态范围指标
图14 0.325THz矢网的动态范围指标
中国电科41所推出系列化THz矢量网络分析仪最高频率可达到325GHz，动态范围达到90dB以上。
1mm频段的动态范围典型测试曲线如图13和14所示。