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太赫兹探测在前沿材料测试领域的应用

导读: 太赫兹测量仪器现在已经进入产业应用阶段,并代表着一个重要的潜在市场。

太赫兹测量仪器现在已经进入产业应用阶段,并代表着一个重要的潜在市场。

就在几年前,太赫兹辐射的商业应用似乎还不够明朗。如果咨询专家:太赫兹辐射有哪些“杀手级”应用?很少有人说的上来。然而,在2018年,太赫兹测量仪器表现出了巨大的市场潜力。民用安全应用领域、无损检测和工业质量控制领域,都可以受益于新一代太赫兹系统的应用。根据实际应用,多种不同类型的技术各具优点。

太赫兹频谱在前沿材料测试领域的应用

上图为一种带光纤尾纤的光混频器,其有源结构位于圆柱形封装的中心,产生的太赫兹辐射通过硅透镜发射出来

太赫兹频谱覆盖了100GHz~10THz(波长在3mm~30um之间)的频率,位于红外和微波频段之间(图1)。目前,可以使用多种技术产生太赫兹辐射。以下介绍的应用采用了依赖于NIR(近红外)激光转换成太赫兹波的光电源。与替代技术(例如倍频器或量子级联激光器)相比,这种光电子系统的特征在于更强的鲁棒性、更紧凑的尺寸以及非常宽的可用带宽。

太赫兹频谱在前沿材料测试领域的应用

图1 位于红外和微波波段之间的太赫兹频谱

本文介绍了三种太赫兹探测新兴应用,每种都有不同的系统和仪器:

(1)微量气体的高灵敏检测,这要求系统具有高光谱分辨率,频域光谱仪看起来最适合;

(2)层厚测量,采用时域系统,如塑料件的挤出和汽车工业中漆面的表征;

(3)在快速移动的传送带上实时检测样品,使用快速筛选系统进行验证,每秒可测量高达500 KSPS(每秒千次采样)的样品。

在此可以预期,随着这些测量系统的市场接受度提高,将为相关组件的生产带来更大的规模效应。

气体探测

频域光谱利用了两个可调谐激光器的差频混频原理。两个波长略有差异的光照射特定半导体组件或光混频器,可将拍频信号波长转换成太赫兹辐射。特别是,二极管激光器的波长可以精确地控制,使得所产生的太赫兹辐射有极高的方向性,并且可以容易地设置或扫描。在微量气体分析中,仅1MHz的频率分辨率就够了;多种气体在太赫兹频率范围内具有明显的跃迁,并在低压下变窄,可以通过它们的吸收指纹峰进行识别。

太赫兹频谱在前沿材料测试领域的应用

图2 二氧化硫的太赫兹吸收光谱:TeraScan可以分辨宽度仅为几兆赫兹的谱线,实验数据(黑线)和文献值(蓝线)高度一致

德国联邦教育和研究部(Federal Ministry for Education and Research)在2014~2017年期间资助了一个项目,旨在研究工业建筑中有毒气体的精确探测。该项目还联合了TOPTICA Photonics、Fraunhofer Heinrich Hertz研究所、德国曼海姆消防局的分析工作组以及其他合作伙伴。他们设计了一款基于高精度频域光谱仪的移动测量站,分析了各种应用场景,包括保护生产线免受爆炸,以及在紧急情况下清除危险等。

在上述两种情景下,都需要测量有关泄露有毒气体类型和数量的准确信息。他们设计的移动测量站的探测限值为:对氨气达到约10ppm,对硫化氢和二氧化硫达到100ppm。图2展示了低压下二氧化硫的典型吸收光谱。

层厚测量

时域太赫兹测量基于脉冲太赫兹源。与频域光谱相比,这些系统仅使用一个发射短红外脉冲的激光(持续时间为50~100fs)。激光脉冲触发光电导开关并产生短瞬变电流,其中包含高(太赫兹)频率分量。目前可用的最佳光电导开关采用了铟镓砷(InGaAs)半导体材料,可实现高达7 THz的带宽。

太赫兹频谱在前沿材料测试领域的应用

图3 太赫兹脉冲从塑料瓶的不同点反射:在同一个瓶中,壁厚变化近两倍,太赫兹回声定位很容易检测到这些不均匀性

利用太赫兹短脉冲进行塑料件的质量控制或涂料、涂层检测,是太赫兹测量最有前景的工业应用之一(薄的光学不透明层测量)。其测量原理类似于回声定位。太赫兹脉冲聚焦在被检测的材料上,材料层顶部和底部会各自反射一部分的入射脉冲。

如果材料的折射率已知,可以根据两层反射脉冲的到达时间来计算层的厚度(图3)。该方法甚至还适用于多层表面,只要各层材料具有不同的折射率即可。时域系统TeraFlash已经可以解析厚度为10~20um的材料。

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