太赫茲技術(shù)進(jìn)展及其在工業(yè)中的應(yīng)用

凌東雄 黃曉園 王紅成 葉海

(東莞理工學(xué)院 電子工程學(xué)院，廣東東莞 523808)

太赫茲波段介于遠(yuǎn)紅外和微波之間 (波長為30 μm到3 mm)，頻率范圍在0.1 THz到10 THz之間，其中1 THz(1012Hz)對應(yīng)于波數(shù)為33.3 cm－1，能量為4.1 meV，波長為300 μm。研究表明:利用太赫茲波進(jìn)行樣品探測時，不會產(chǎn)生有害的光致電離，是一種有效的無損檢測方法;太赫茲波脈沖寬度具有皮秒量級，可有效用于進(jìn)行時間分辨的研究;非極性物質(zhì)對太赫茲電磁輻射是透明的，可以把它用于機(jī)場、火車入口等地方的安全檢測，以及用于集成電路焊接情況的工業(yè)過程檢測等。太赫茲技術(shù)早期使用笨重和昂貴的系統(tǒng)，主要用于研發(fā)和實驗室中的應(yīng)用，特別是天體物理學(xué)。但近年來，重大的技術(shù)進(jìn)步使得可用于工業(yè)的太赫茲技術(shù)產(chǎn)品的商業(yè)化成為可能，如無損檢測、工業(yè)過程監(jiān)測和藥物的質(zhì)量控制。另外，太赫茲技術(shù)也有其它可能的應(yīng)用，包括安全市場或在未來幾年的電信和生物醫(yī)藥市場［1－3］。本文介紹太赫茲技術(shù)及其發(fā)展，并對中長期的工業(yè)應(yīng)用市場進(jìn)行展望。

1 太赫茲技術(shù)及其發(fā)展

太赫茲技術(shù)主要是太赫茲光譜技術(shù)和太赫茲成像技術(shù)。太赫茲光譜技術(shù)主要有太赫茲時域光譜技術(shù)(TDS)、時間分辨光譜技術(shù)和太赫茲發(fā)射光譜技術(shù)，太赫茲光譜包含了豐富的物理和化學(xué)信息，因此研究太赫茲光譜對于研究基礎(chǔ)物理相互作用具有重要的意義。太赫茲成像技術(shù)有太赫茲二維電光取樣成像、層析成像、太赫茲啁啾脈沖時域場成像、近場成像、太赫茲連續(xù)波成像等等，可應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、質(zhì)量檢測、安全檢查和無損檢測等眾多應(yīng)用領(lǐng)域［2］。

太赫茲光譜技術(shù)，特別是時域光譜技術(shù) (TDS)，是最成熟的也是最有可能在工業(yè)應(yīng)用中采用的太赫茲技術(shù)［2－5］。太赫茲時域光譜系統(tǒng)如圖1，該系統(tǒng)由光源、光學(xué)系統(tǒng)、太赫茲發(fā)射極、太赫茲探測器、光譜掃描系統(tǒng)和信息處理軟件平臺等組成，光源為飛秒激光 (飛秒振蕩器、飛秒放大器或飛秒光纖激光器)，用以泵浦太赫茲發(fā)射極產(chǎn)生太赫茲波，而后經(jīng)由光譜掃描系統(tǒng)，在太赫茲探測器上與探測光會合，最終在信息處理軟件平臺上顯示出太赫茲光譜。

太赫茲技術(shù)的發(fā)展過程如圖2，我們首先分析太赫茲器件和系統(tǒng)的發(fā)展，然后分析太赫茲技術(shù)的應(yīng)用。上個世紀(jì)80年代初，研究人員開發(fā)在實驗室中應(yīng)用的太赫茲系統(tǒng)。這些復(fù)雜的、昂貴的科學(xué)系統(tǒng)只能由高素質(zhì)人員使用。然而，在過去的10年中，技術(shù)的較大進(jìn)步已經(jīng)使得易于使用、成本合算的系統(tǒng)和更緊湊和可靠的組件的開發(fā)得以實現(xiàn)。例如，飛秒激光器的成熟允許開發(fā)體積更小、更便宜的太赫茲源［3］。作為太赫茲探測器，其發(fā)展趨勢是實現(xiàn)探測器陣列如測輻射熱計陣列，以制造尺寸更小、檢測性能更佳的探測器。隨著組件變得更便宜、更可靠和更容易被集成，系統(tǒng)將變得更小、成本更低、更簡單。

圖1 太赫茲時域光譜系統(tǒng)示意圖

從應(yīng)用方面來看，太赫茲技術(shù)正在逐步滿足工業(yè)需求，首先實現(xiàn)的是太赫茲光譜在紙張厚度測量和分析中的在線應(yīng)用，以及在混合物和粉末在線無損檢測方面的應(yīng)用，而后將開啟新的應(yīng)用，如食品或藥品的質(zhì)量控制。制造商采用的制造執(zhí)行系統(tǒng) (MES)將有助于半導(dǎo)體或材料在線無損檢測的太赫茲產(chǎn)品的使用［4］。但是，在太赫茲技術(shù)被廣泛采用之前我們必須進(jìn)行一些技術(shù)改進(jìn):我們必須提高采集速度，提高太赫茲測量的可靠性，并建立一個廣泛的數(shù)據(jù)庫來更好地解析光譜數(shù)據(jù)。最后，在8～10年之后，當(dāng)該技術(shù)達(dá)到一定的成熟度，預(yù)期來自電信公司的投資應(yīng)該能降低太赫茲組件成本并獲得工業(yè)領(lǐng)域的廣泛接受。

圖2 太赫茲技術(shù)的發(fā)展過程

現(xiàn)在，太赫茲技術(shù)尚未達(dá)到成熟階段，將其廣泛使用于工業(yè)無損檢測和過程監(jiān)控仍然面臨一些挑戰(zhàn)。在動力性能方面，仍有重要的工作要做:大部分太赫茲源在1 THz頻率提供的功率小于1 mW，這對工業(yè)無損檢測、過程監(jiān)控應(yīng)用往往太低。要被在線過程監(jiān)測廣泛接受和使用，太赫茲系統(tǒng)和部件必須更可靠，并且其工作不需要人工干預(yù)。同時，系統(tǒng)的花費(fèi)還需進(jìn)一步降低，以便在在線過程中廣泛使用。時域光譜系統(tǒng)的速度必須提高，因為在光譜采集中需要高吞吐量。在機(jī)械，電子，光學(xué)的延時設(shè)計方面的進(jìn)展為準(zhǔn)確、堅固耐用的解決方案鋪平了道路。此外，太赫茲光譜的使用被當(dāng)前數(shù)據(jù)庫中的參考光譜的缺乏所阻礙。例如太赫茲RIKEN數(shù)據(jù)庫包含1 550個光譜，而紅外Bio－Rad數(shù)據(jù)庫有1 400 000光譜。

2 太赫茲技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用

太赫茲技術(shù)應(yīng)用的中期目標(biāo)是質(zhì)量控制和過程監(jiān)控。工業(yè)領(lǐng)域法規(guī)的強(qiáng)化在兩方面為太赫茲技術(shù)提供了機(jī)會:第一，越來越多的法規(guī)迫使工業(yè)界必須監(jiān)控生產(chǎn)過程 (產(chǎn)品生產(chǎn)之前、產(chǎn)品生產(chǎn)期間和產(chǎn)品生產(chǎn)之后的過程)并控制產(chǎn)品質(zhì)量。由于其穿透屏障材料的能力 (衣服、包裝等)，以及非接觸和無損檢測，太赫茲技術(shù)是檢測、控制與監(jiān)測方面強(qiáng)有力的競爭者。第二，對用于控制和監(jiān)測的技術(shù)作了規(guī)定。非電離、環(huán)保的技術(shù)比現(xiàn)在使用的X射線或核技術(shù)更易獲得支持，而太赫茲技術(shù)符合這些安全限制。

在造紙行業(yè)，紙的厚度的在線監(jiān)測是必需的，現(xiàn)在主要由核子儀來完成，最近由于法規(guī)加強(qiáng)，即循環(huán)利用的約束，核子儀的使用受到約束，而太赫茲時域光譜系統(tǒng)對厚度很敏感，所以Picometrix公司開發(fā)了一種稱為T－gauge的在線太赫茲產(chǎn)品在過程監(jiān)控中取代核子儀。首批T－gauge已在2012年出售。在未來幾年，這種替代預(yù)計將越來越多地發(fā)生。

表1 在工業(yè)過程監(jiān)控中太赫茲技術(shù)與其它非電離技術(shù)的比較

在工業(yè)過程監(jiān)控領(lǐng)域中，太赫茲技術(shù)遇到眾多非電離技術(shù)的競爭。如表1所示，太赫茲技術(shù)必須與超聲技術(shù)相競爭，盡管超聲技術(shù)存在傳播速度慢、需要高度熟練的操作員等不足，但它是成熟的技術(shù)，更容易被生產(chǎn)廠家接受。與這些技術(shù)相比較，太赫茲技術(shù)必須證明其可靠性才能被接受。

廣泛采用太赫茲技術(shù)的主要挑戰(zhàn)是要找到應(yīng)用的領(lǐng)域，即滿足需求并可以代替電離技術(shù)如核子儀或X 射線系統(tǒng)［7］。

太赫茲技術(shù)應(yīng)用的長期目標(biāo)是制造執(zhí)行系統(tǒng) (MES)，制造執(zhí)行系統(tǒng)是一個集生產(chǎn)資料并以優(yōu)化從訂單到成品的整個生產(chǎn)過程為目的的實時計算機(jī)系統(tǒng)。收集的信息可用于不同的功能區(qū):產(chǎn)品定義、產(chǎn)品質(zhì)量管理、產(chǎn)品跟蹤、生產(chǎn)性能分析等。制造執(zhí)行系統(tǒng)的使用可以獲得更有效的生產(chǎn)流程，減少浪費(fèi)、減少維修并增加正常運(yùn)行時間。

近年來，制造商已經(jīng)開始廣泛利用制造執(zhí)行系統(tǒng)來提高生產(chǎn)效率。為了這個目的，準(zhǔn)確和可靠的測量是必需的，因此，準(zhǔn)確和可靠的技術(shù)是必需的。在長期來看，太赫茲光譜技術(shù)和成像系統(tǒng)將獲得較好的應(yīng)用機(jī)會。

工業(yè)對技術(shù)最重要的要求是能夠進(jìn)行在線、實時和非侵入性的測量。太赫茲測量是非接觸式的并已開始上線運(yùn)行，現(xiàn)在的主要障礙是采集時間太慢難以在工業(yè)過程監(jiān)控中廣泛采用太赫茲系統(tǒng)。然而，隨著技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，有可能達(dá)到每秒1 000到超過100 000個波形的采集速度，這使得太赫茲技術(shù)的實時應(yīng)用成為可能并在工業(yè)中廣泛采用太赫茲系統(tǒng)［1，7－8］。

3 工業(yè)應(yīng)用市場分析

太赫茲市場預(yù)計將從2012年的47 000 000美元增長到2022年的482 000 000美元，其年增長率達(dá)26%。太赫茲工業(yè)應(yīng)用占據(jù)最大的市場份額，為太赫茲市場的50%，即2012年為21 000 000美元而2022年將達(dá)到241 000 000美元。

目前，率先商業(yè)化的幾種太赫茲產(chǎn)品已應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，參見圖4?，F(xiàn)在太赫茲技術(shù)主要應(yīng)用在生產(chǎn)線附近紙和粉塵分析、紙張厚度測量以及復(fù)合材料分析。在5～8年后，越來越多的產(chǎn)品有望出現(xiàn)在醫(yī)藥、半導(dǎo)體制造等關(guān)鍵領(lǐng)域。

最近，安科 (EMCORE)公司公布了一款新雙通道便攜式頻域太赫茲光譜儀，能夠同時進(jìn)行樣品的傳輸和反射特性相位相干測量。第二通道允許一個單一的系統(tǒng)從各個角度收集樣品反射或散射的信息，并連續(xù)監(jiān)測傳輸。

我國首臺太赫茲安檢儀在2014年5月8日第九屆中國國際國防電子展覽會上發(fā)布，該安檢儀由中國電子科技集團(tuán)公司研制完成，全名為“博微太赫茲人體安檢儀”，打破了此前美國壟斷此類太赫茲人體安檢儀核心技術(shù)的市場局面。

一種新技術(shù)發(fā)展到成熟需要較長的時間，廣泛采用太赫茲技術(shù)必須有低成本和高技術(shù)性能的產(chǎn)品?，F(xiàn)在已經(jīng)花了大約15年才首次見到商業(yè)化的太赫茲工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品，還需要10多年的時間才能成為被制造商廣泛使用的技術(shù)。

作為比較，預(yù)期在2018年到2023年，太赫茲技術(shù)將在電信市場得到快速發(fā)展。在電信領(lǐng)域較為費(fèi)時的是需要創(chuàng)建使用太赫茲波段的新標(biāo)準(zhǔn)。一旦標(biāo)準(zhǔn)被創(chuàng)建，大規(guī)模的市場應(yīng)用將成為可能，特別是大量的投資將使得廉價設(shè)備的開發(fā)成為可能。再者，在電信領(lǐng)域的投資將對太赫茲技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生積極的影響，因為它們會加快成本降低［9］。

4 結(jié)語

綜上所述，太赫茲技術(shù)的發(fā)展造就了更堅固和更容易使用的太赫茲產(chǎn)品，并使太赫茲技術(shù)逐步走向工業(yè)應(yīng)用;隨著法規(guī)的加強(qiáng)，質(zhì)量控制和過程監(jiān)控領(lǐng)域需要安全可靠的新技術(shù)，這將大大促進(jìn)太赫茲技術(shù)的發(fā)展;太赫茲技術(shù)符合工業(yè)領(lǐng)域制造執(zhí)行系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，必將成為未來工業(yè)應(yīng)用技術(shù)。

［1］許景周，張希成．太赫茲科學(xué)技術(shù)與應(yīng)用［M］．北京:北京大學(xué)出版社，2007．

［2］張存林，牧凱軍．太赫茲波譜與成像［J］．激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2010，47:1－14．

［3］張存林．大赫茲感測與成像［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2008．

［4］劉盛綱，姚建栓，張杰．太赫茲科學(xué)技術(shù)的新發(fā)展［C］．香山科學(xué)會議第270次學(xué)術(shù)討論會，北京:2005．

［5］馬成舉，陳延偉，向軍，等．太赫茲輻射產(chǎn)生技術(shù)進(jìn)展［J］．太赫茲光學(xué)，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．