太赫茲時(shí)域光譜儀概述及選型要點(diǎn)
日本Advantest公司的太赫茲時(shí)域光譜儀(簡(jiǎn)稱THz-TDS)是采集與分析太赫茲波段光譜效率最高的設(shè)備，其數(shù)據(jù)分析處理方式與傅里葉變化紅外光譜儀（FT-IR）是一致的，同樣是利用FFT快速傅里葉變換方法將時(shí)間域的信息轉(zhuǎn)化為頻率域（也可以講是光譜域)的信息。我們可以把太赫茲時(shí)域光譜儀看做一個(gè)專門優(yōu)化在太赫茲頻譜段的傅里葉變換超遠(yuǎn)紅外光譜儀。實(shí)際上，傅里葉變換紅外光譜儀早就已經(jīng)發(fā)展出可以延展覆蓋至太赫茲頻譜段的技術(shù)，太赫茲時(shí)域光譜儀以其在太赫茲頻段高靈敏度，高速度，有特殊的功能拓展的特點(diǎn)獲得了技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)。
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日本Advantest公司太赫茲時(shí)域光譜儀特點(diǎn)及選型要點(diǎn)
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1.THz-TDS優(yōu)點(diǎn)是太赫茲頻譜段信噪比高，動(dòng)態(tài)范圍大；發(fā)展趨勢(shì)是涵蓋更寬頻譜段及更寬的高動(dòng)態(tài)范圍頻譜段。
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選型要點(diǎn)：觀察廠家提供的空樣品動(dòng)態(tài)范圍曲線（即不裝載樣品時(shí)設(shè)備采集的太赫茲時(shí)域光譜）：
首先曲線涵蓋頻譜范圍越寬越好；對(duì)于特種功能材料，生物樣本，氧化物，石墨烯，樹脂，水性材料等，越來越多的發(fā)現(xiàn)在>3THz的高頻段存在特征譜峰，方便有效的測(cè)試太赫茲全頻段是今后設(shè)備發(fā)展的一個(gè)方向。
其次，對(duì)于裝載實(shí)際樣品采譜時(shí)，樣品本身對(duì)于太赫茲輻射有不同程度的衰減，需要預(yù)留足夠的動(dòng)態(tài)范圍區(qū)間才可以獲得有效的頻譜。一般建議至少預(yù)留30dB的動(dòng)態(tài)范圍，這樣就引入了推薦使用頻譜區(qū)的概念；一般而言，廠家是不標(biāo)注此指標(biāo)的，需要用戶自己考量。
再次觀察峰值動(dòng)態(tài)范圍，越高越好，一般廠家均可做到>60dB,甚至>70dB;但是達(dá)到此指標(biāo)各個(gè)廠家的采譜時(shí)間及積分平均次數(shù)很可能是不同的，所以峰值動(dòng)態(tài)范圍一般建議僅供參考，詳細(xì)比較時(shí)需要問清詳細(xì)測(cè)試條件
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圖1.氨基酸的太赫茲特征譜可見生物樣本在>3THz的高頻段有豐富的吸收峰
標(biāo)稱頻譜區(qū)，實(shí)用頻譜區(qū)與最優(yōu)頻譜區(qū)的概念：
l? 標(biāo)稱頻譜區(qū)是設(shè)備在不裝載樣品時(shí)采集太赫茲時(shí)域光譜，以信噪比為1時(shí)定義設(shè)備最寬頻譜范圍，但是只要加載樣品則增加衰減減小動(dòng)態(tài)范圍，而且信噪比為1遠(yuǎn)非使用信噪比，所以并非實(shí)際可使用的頻譜范圍
l? 實(shí)用頻譜區(qū)在最弱頻點(diǎn)也預(yù)留了20-30dB動(dòng)態(tài)范圍，一般情況下，控制好干燥環(huán)境，適當(dāng)加大積分平均時(shí)間則可獲得信噪比較為滿意的頻譜
l? 最優(yōu)頻譜區(qū)是最弱頻點(diǎn)也預(yù)留了40-50dB動(dòng)態(tài)范圍，用戶可以用很少的積分平均時(shí)間就可以獲得滿意的頻譜，適合于檢測(cè)快速變化的現(xiàn)象或者是在較短時(shí)間內(nèi)完成太赫茲時(shí)域光譜成像。
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我們以Advantest公司的太赫茲時(shí)域光譜儀為例;
圖2.Advantest的三款太赫茲發(fā)射源實(shí)測(cè)動(dòng)態(tài)范圍
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| 太赫茲發(fā)射器 | SL型光導(dǎo)天線 | SP型光導(dǎo)天線 | SU型鈮酸鋰發(fā)射器 |
| 標(biāo)稱頻譜區(qū)S/N =1 | 0.03-3THz | 0.1-5THz | 0.5-7TTHz |
| 實(shí)用頻譜區(qū)>-40dB | 0.03-2THz | 0.1-4THz | 0.5-6THz |
| 最優(yōu)頻譜區(qū)>-20dB | 0.03-1THz | 0.1-2.5THz | 0.5-4.5THz |
| 峰值動(dòng)態(tài)范圍 | >70dB | >70dB | >70dB |
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2.THz-TDS的采譜速度快：采譜速度快帶來的第一個(gè)直接的好處是可以在有限的時(shí)間內(nèi)積分平均更多次數(shù)，從而獲得更高的信噪比；第二個(gè)直接的好處是采譜速度越快，做太赫茲時(shí)域光譜成像（即對(duì)平面上每一點(diǎn)均采集完整太赫茲頻譜）則越節(jié)省時(shí)間。從太赫茲時(shí)域光譜儀的發(fā)展沿革來看，從最初的實(shí)驗(yàn)室階段數(shù)分鐘采集一個(gè)頻譜，到達(dá)商品化階段數(shù)秒鐘一個(gè)頻譜（此時(shí)已經(jīng)和FT-IR有可比性，但做太赫茲時(shí)域光譜成像仍耗時(shí)過長），再到毫秒量級(jí)采集一個(gè)頻譜（此時(shí)已經(jīng)相當(dāng)適合做太赫茲時(shí)域光譜成像）；今后的發(fā)展方向是更快的采譜速度或同樣采譜速度下更高的頻譜分辨率。
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選型要點(diǎn)：首先，越高的采譜速度一般會(huì)意味著越低的頻譜分辨率，所以在考察時(shí)需要同時(shí)考慮此采譜速度下的頻譜分辨率是否足夠；其次廠家最好能提供可軟件切換的采譜速度，這樣實(shí)驗(yàn)者可以權(quán)衡選擇不同的速度/分辨率組合。
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我們以日本Advantest公司的太赫茲時(shí)域光譜儀為例;
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| 型號(hào) | TAS7500TS | TAS7400TS | |||
| 采譜速度 | 16ms | 8ms | 1ms | 200ms | |
| 頻譜分辨率 | 3.8GHz | 7.6GHz | 61GHz | 1.9GHz | 7.6GHz |
| 可切換性 | 軟件切換 | 軟件切換 | |||
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?在太赫茲時(shí)域光譜測(cè)試時(shí)，<5GHz的頻譜分辨率一般已經(jīng)認(rèn)為是高分辨率測(cè)試，10-20GHz頻譜分辨率被認(rèn)為是常規(guī)分辨率，所以從應(yīng)用上看，TAS7500TS兼顧了高中低頻譜分辨率及中速，快速，超快速采譜速度，是用戶兼顧太赫茲時(shí)域光譜分析及太赫茲時(shí)域光譜成像的合適設(shè)備。
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3．TDS-THz信號(hào)穿透性好：比起FT-IR，THz-TDS的太赫茲輻射波波長更長，其穿透性要好很多，這樣可以帶來很多有意思的應(yīng)用，比如無損探傷，探測(cè)包裝物內(nèi)的危險(xiǎn)品檢測(cè)，文物內(nèi)部檢測(cè)等。
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? 選型要點(diǎn)：太赫茲時(shí)域光譜儀的無損檢測(cè)應(yīng)用是采用太赫茲時(shí)域光譜成像法，最大的優(yōu)點(diǎn)是可以在采集設(shè)備涵蓋的整個(gè)太赫茲頻段頻譜信息及空間信息，從而可以解析出每個(gè)頻點(diǎn)的太赫茲成像，信息量很大。除了自身完成成像功能，還可以找到特定材料的特定適合頻點(diǎn)，為今后商品化的單頻太赫茲成像實(shí)驗(yàn)或設(shè)備提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。此時(shí)需要注意，波長越長（即頻率越低）則透過性越好；波長越短（即頻率越高）則極限空間分辨率越高；其次盡可能利用太赫茲輻射峰值頻段進(jìn)行分析則信噪比容易得到保證；另外在無損檢測(cè)時(shí)如果某物質(zhì)或某缺陷在某頻率下有強(qiáng)烈吸收或反射則在此頻率下的成像信噪比則更好；再次是太赫茲輻射波長接近于毫米，在某些薄片材料界面內(nèi)反射如果和半波長成整倍數(shù)則會(huì)產(chǎn)生干涉，在處理時(shí)可以回避；總的來講，TDS-THz的頻譜覆蓋范圍越寬則靈活性及極限空間分辨率可以越高。言及極限空間分辨率，因?yàn)槭袌?chǎng)上所有的步進(jìn)電機(jī)掃描臺(tái)的位移分辨率均為微米量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于太赫茲波段的百微米到毫米的物理衍射極限，所以商家標(biāo)注的掃描臺(tái)位移分辨率對(duì)于太赫茲成像是不具備實(shí)際意義的，建議和廠家索要實(shí)際太赫茲光譜成像結(jié)果予以評(píng)估，達(dá)到百微米量級(jí)均被認(rèn)為合格。
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?圖3.采集太赫茲時(shí)域光譜成像數(shù)據(jù)后解析出的各頻點(diǎn)太赫茲影像
注：如圖可見成像質(zhì)量并非主要取決于極限空間分辨率，而是主要取決于圖像信噪比。同等環(huán)境，同等樣品盡量在最優(yōu)頻譜區(qū)解析圖像，如果對(duì)較高空間分辨率有要求或言之希望得到太赫茲高頻段的影像，選用或增加配置Advantest的SU系列切倫科夫太赫茲寬頻源則有必要。
4.TDS-THz信號(hào)是皮秒短脈沖輻射：與FT-IR的連續(xù)波輻射源不同，TDS-THz的信號(hào)是皮秒量級(jí)的短脈沖輻射，太赫茲輻射穿透性非常強(qiáng)，穿透進(jìn)樣品達(dá)到各個(gè)界面，均會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小反射波可以被探測(cè)器捕獲，從而可以采用飛行時(shí)間算法反推回膜厚或距離，利用步進(jìn)電機(jī)一樣也可以完成成像功能。這樣就可以做另一大類的無損檢測(cè)應(yīng)用，比如各種透明，半透明，不透明材料的涂層檢測(cè)，膠囊厚度檢測(cè)，特種材料缺陷檢測(cè)，膜層厚度均一性檢測(cè)等。
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圖4.飛行時(shí)間法測(cè)試厚度
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日本Advantest公司太赫茲時(shí)域光譜儀典型應(yīng)用：
各類材料太赫茲吸收譜，反射譜測(cè)試
生物，藥品，食品，農(nóng)業(yè)，林業(yè)基礎(chǔ)科研
太赫茲新材料，新晶體的表征與研發(fā)
無損探傷，無損檢測(cè)的基礎(chǔ)研究
太赫茲通訊，太赫茲電子學(xué)的基礎(chǔ)研究
化學(xué)反應(yīng)，晶體結(jié)晶過程的監(jiān)控
危險(xiǎn)品，毒品特征吸收譜庫建立及透過包裝物檢測(cè)
非接觸無損厚度測(cè)試，缺陷檢測(cè)
高速示波器或高頻電子器件的頻寬校準(zhǔn)
低溫，強(qiáng)磁場(chǎng)，高壓等極限環(huán)境下的樣品太赫茲頻譜檢測(cè)
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科技前沿
