337μm连续太赫兹激光透射成像

第 21 卷 第 4 期2023 年 4 月Vol.21，No.4Apr.，2023太赫兹科学与电子信息学报Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology超宽带太赫兹调频连续波成像技术胡伟东，许志浩*，蒋环宇，刘庆国，檀桢(北京理工大学毫米波与太赫兹技术北京市重点实验室，北京100081)摘要：太赫兹调频连续波成像技术具有高功率、小型化、低成本、三维成像等特点，在太赫兹无损检测领域受到了广泛关注。

然而由于微波及太赫兹器件限制，太赫兹信号带宽难以做大，从而制约了成像的距离向分辨力。

虽然高载频可实现较大宽带，但伴随的低穿透性和低功率会限制太赫兹调频连续波成像系统的应用场景。

因此，聚焦于太赫兹波无损检测领域，提出一种时分频分复用的114~500 GHz超宽带太赫兹信号的产生方式，基于多频段共孔径准光设计，实现超带宽信号的共孔径，频率可扩展至1.1 THz。

提出一种频段融合算法，实现了超宽带信号的有效融合，距离分辨力提升至460 μm，通过人工设计的多层复合材料验证了系统及算法的有效性，并得到封装集成电路(IC)芯片的高分辨三维成像结果。

关键词：太赫兹调频连续波；非线性度校准；多频段融合；准光设计；无损检测中图分类号：TN914.42文献标志码：A doi：10.11805/TKYDA2022225Ultra-wideband terahertz FMCW imaging technologyHU Weidong，XU Zhihao*，JIANG Huanyu，LIU Qingguo，TAN Zhen (Beijing Key Laboratory of Millimeter Wave and Terahertz Technology，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China)AbstractAbstract：：Terahertz Frequency Modulated Continuous Wave(THz FMCW) imaging technology has attracted extensive attention in the field of THz Nondestructive Testing(NDT) because of its high power,miniaturization, low cost, three-dimensional imaging and other characteristics. However, due to thelimitation of microwave and terahertz devices, the terahertz signal bandwidth is difficult to expand, whichrestricts the range resolution of imaging. Although high carrier frequency can achieve large broadband,the accompanying low penetrability and low power will limit the application scenario of THz FMCWimaging system. Therefore, focusing on the field of terahertz wave nondestructive testing, this paperproposes a time-division frequency-division multiplexing 114~500 GHz ultra-wideband terahertz signalgeneration method, which is based on the quasi-optical design of multiband common aperture to achievethe common aperture of ultra-wideband signals. In addition, a multiband fusion algorithm is proposed toachieve effective fusion of ultra-wideband signals, and the range resolution is improved to 460 μm. Theeffectiveness of the system and algorithm is verified by artificially designed multilayer compositematerials, and the high-resolution 3D imaging results of Integrated Circuit(IC) chips are obtained.KeywordsKeywords：：Terahertz Frequency Modulated Continuous Wave；non-linearity calibration；multiband fusion；quasi-optical design；Nondestructive Testing太赫兹波(0.03 mm~3 mm)在电磁波谱中位于微波与红外之间，由于其独特的穿透性与非电离性等特性，太赫兹技术已成功用于艺术品保护、工业产品质量控制、封装集成电路(IC)无损检测等领域[1-3]。

第五章太赫兹成像第五章太赫兹成像太赫兹辐射作为一种光源和其他辐射(如可见光、X射线、中近远红外、超声波等)一样，可以作为物体成像的信号源。

自从美国的Hu 和Nuss等人在1995年首次建立起国际上第一套太赫兹成像装置以来，许多科学家相继开展了电光取样成像、层析成像、太赫兹单脉冲时域场成像、近场成像等的研究。

5.1 引言最近几年，人们对远红外射线科学与技术的兴趣越来越浓。

大量的、有关远红外射线的产生方法和探测新技术被提出，并被验证，其中有许多是基于非线性光学技术的。

尽管早在1976年，利用非线性光学技术产生远红外射线的思想已经被提出，然而其始终受到激光源的限制，在随后的许多年都没有得到广泛的应用。

近些年，随着激光技术的迅猛发展，这项技术的相关应用也激增，例如利用光整流和差频产生远红外射线。

其中最早的，也是最具前景的技术是太赫兹时域光谱技术（太赫兹-TDS），这是一种利用超快激光脉冲产生宽幅瞬变电磁辐射的方法。

这种方法是在八十年代后期，由AT&T Bell实验室和IBM的T.J.Watson Research Center 率先实现的，现在，随着飞秒激光器的广泛应用，这种方法也变得越来越流行。

结合更多的传统的远红外研究方法，这种新型的太赫兹源已经显示出其在光谱学中的价值。

不仅如此，由于超短太赫兹时域脉冲的频谱宽，并且这些太赫兹脉冲与飞秒脉冲具有固有的同步性，这一性质使得一些新方法得以采用，而且是其他方法无法实现的。

例如采用光泵浦太赫兹探测的太赫兹时间分辨的测量，太赫兹发射光谱和相关光谱的测量。

Nuss和Orenstein最近报道了利用THz-TDS研究固体系统的方法；此项工作包含了大量的线性光谱和其它技术的实例。

THz-TDS同时也被用于研究气体，其中最值得关注的是Grischkowsky与其合作者的工作。

1995年，Hu和Nuss首次将THz-TDS技术用于成像。

这激起了同行及公众对此项技术的极大兴趣，并关注这种光谱仪一系列的新的、有价值的应用。

太赫兹时域光谱成像太赫兹成像系统是理想的检测系统，它有许多优点。

例如THz-TDS成像系统就可以做到小型、高效，并且价格还相对便宜等。

与众多的远红外成像系统所不同的是，它不需要使用低温系统。

另外，由于太赫兹的脉宽只有亚皮秒的量级，再加上其相敏探测的特性，两者结合能够产生出许多独特的成像模式。

正是由于这些优势，大大促进了T-ray成像系统的发展。

早在2000年，第一套商用化的太赫兹成像系统已经面世了。

接下来我们就介绍一下太赫兹成像，展示一下它们那神奇的魅力。

5.2.1 振幅和位相成像如果要对物体进行成像，可以将物体放置在THz-TDS成像系统（见图5-1），的中间焦点上，测量透过物体的太赫兹波。

当太赫兹脉冲透过物体时，我们就能测出其波形来。

通过平移物体，而后测量透过物体每处的太赫兹波形，就可以逐个像素的构建出这个物体的太赫兹图像，由此所得到的太赫兹图像可以提供所测波形的振幅信息，也可以是相位信息，或是两者都有。

因此对于给定物体的成像，可以采用多种不同的方法来实现，而且每种方法还可以揭示出样品的各种不同的特性。

图 5-3 对2cm2大小的装有谷物的小盒子所成的太赫兹透射图像太赫兹成像系统的潜在应用十分广泛，其中最具前景的是对封装物品的质量检测。

如图5-3所示，它是对一个装有谷物的小盒所成的太赫兹透射图像。

其中，这个小盒重有1-3/8 盎司，大小约为2平方厘米，而做盒子的材料是硬纸板，它对太赫兹辐射几乎是透明的。

在太赫兹图像中黑色部分代表葡萄干，这是因为它们的含水量很高，所以与周围的材料相比能显示出很高的对比度来。

在这幅图中，样品的厚度大约为5cm，略大于太赫兹光束的共焦焦斑（约为1cm），因此这些葡萄干（没有放置在太赫兹光束的焦点之上）在图像中显得比它们的实际尺寸要大。

不过这个问题不足以限制太赫兹成像技术的发展应用，这是因为从理论上讲，太赫兹成像系统可以选用各种光路。

这种成像技术很适合来检测被密封包装的物品，特别是那些对太赫兹波透明的包装材料，例如硬纸板、塑料制品、较薄的干木材等等，效果更好。

太赫兹波太赫兹波是指波长在 3μm 到 1000μm 之间，频率为 0.1-10THz，介于微波与红外线之间的电磁波。

太赫兹波不仅拥有与光相同的直进性，还具有与电波相似的穿透性和吸收性。

根据发射源和发射方法的不同，太赫兹波分为两种：（一）、干涉太赫兹波（人工波，单一波），由红外线激光和光电导体共振或激光自由电子与半导体的共振产生。

（二）、太赫兹波（自然光，复合波），包括月亮、星星的光以及宇宙光（暗黑宇宙空间的光）。

二、太赫兹波的应用（一）、医学诊断及成像太赫兹波也具有类似X射线的穿透能力，但其光子能量小，对人体的辐射能量比X光小100万倍，因此不会对人体造成辐射性伤害。

另外，X光穿透性很强，无法细致区分正常细胞与癌细胞，超声波穿透性又稍弱，照射不到细胞内部，只能“看到”直径大于1毫米的癌症肿瘤。

而太赫兹波却恰好能够检测到细胞内部生化信号的变化，分辨出正常细胞和癌细胞的不同。

（二）、安全检查太赫兹可以轻易穿透塑料、衣物、纸盒等非极性和非金属材料，能有效探测和识别出藏在包裹、信件和衣服中的枪支、毒品、炸药等危险品。

分辨爆炸物品和药品的区别，太赫兹可以做到。

目前，利用太赫兹遥感能准确发现30米内的爆炸物品，这是远远优于其他安检手段的，美国ProVision系列已在欧美多个机场投入使用，（三）、通信雷达太赫兹波是很好的宽带信息载体，在网络通信方面有很大的应用前景，尤其在卫星间、星地间的无线通信，高速局域网通信方面具有巨大优势。

太赫兹波的频率是目前手机通信频率的1000倍左右，利用太赫兹波实现超宽带高速无线通信。

当前，国际通讯联盟已指定下一代地面无线通信的频段0.12 THz，太赫兹技术将成为6G或7G通讯的基础，人类将全面进入太赫兹通信时代。

（四）、射电天文在宇宙中，大量的物质在发出太赫兹电磁波，来自星际物质的太赫兹波会包含各种气态分子的信息。

遥远星系的辐射由于宇宙膨胀偏移到了太赫兹波段，因此利用太赫兹波还可以探测宇宙的演化。