太赫茲時域光譜儀概述及選型要點

日本Advantest公司的太赫茲時域光譜儀(簡稱THz-TDS)是采集與分析太赫茲波段光譜效率最高的設備，其數據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間域的信息轉化為頻率域（也可以講是光譜域)的信息。我們可以把太赫茲時域光譜儀看做一個專門優化在太赫茲頻譜段的傅里葉變換超遠紅外光譜儀。實際上，傅里葉變換紅外光譜儀早就已經發展出可以延展覆蓋至太赫茲頻譜段的技術，太赫茲時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獲得了技術上的優勢。
 
日本Advantest公司太赫茲時域光譜儀特點及選型要點
 
1.THz-TDS優點是太赫茲頻譜段信噪比高，動態范圍大；發展趨勢是涵蓋更寬頻譜段及更寬的高動態范圍頻譜段。
 
選型要點：觀察廠家提供的空樣品動態范圍曲線（即不裝載樣品時設備采集的太赫茲時域光譜）：

• 首先曲線涵蓋頻譜范圍越寬越好；對于特種功能材料，生物樣本，氧化物，石墨烯，樹脂，水性材料等，越來越多的發現在>3THz的高頻段存在特征譜峰，方便有效的測試太赫茲全頻段是今后設備發展的一個方向。

• 其次，對于裝載實際樣品采譜時，樣品本身對于太赫茲輻射有不同程度的衰減，需要預留足夠的動態范圍區間才可以獲得有效的頻譜。一般建議至少預留30dB的動態范圍，這樣就引入了推薦使用頻譜區的概念；一般而言，廠家是不標注此指標的，需要用戶自己考量。

• 再次觀察峰值動態范圍，越高越好，一般廠家均可做到>60dB,甚至>70dB;但是達到此指標各個廠家的采譜時間及積分平均次數很可能是不同的，所以峰值動態范圍一般建議僅供參考，詳細比較時需要問清詳細測試條件

 

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

標稱頻譜區，實用頻譜區與最優頻譜區的概念：
l  標稱頻譜區是設備在不裝載樣品時采集太赫茲時域光譜，以信噪比為1時定義設備最寬頻譜范圍，但是只要加載樣品則增加衰減減小動態范圍，而且信噪比為1遠非使用信噪比，所以并非實際可使用的頻譜范圍
l  實用頻譜區在最弱頻點也預留了20-30dB動態范圍，一般情況下，控制好干燥環境，適當加大積分平均時間則可獲得信噪比較為滿意的頻譜
l  最優頻譜區是最弱頻點也預留了40-50dB動態范圍，用戶可以用很少的積分平均時間就可以獲得滿意的頻譜，適合于檢測快速變化的現象或者是在較短時間內完成太赫茲時域光譜成像。
 
我們以Advantest公司的太赫茲時域光譜儀為例;

圖2.Advantest的三款太赫茲發射源實測動態范圍
 

 
2.THz-TDS的采譜速度快：采譜速度快帶來的第一個直接的好處是可以在有限的時間內積分平均更多次數，從而獲得更高的信噪比；第二個直接的好處是采譜速度越快，做太赫茲時域光譜成像（即對平面上每一點均采集完整太赫茲頻譜）則越節省時間。從太赫茲時域光譜儀的發展沿革來看，從最初的實驗室階段數分鐘采集一個頻譜，到達商品化階段數秒鐘一個頻譜（此時已經和FT-IR有可比性，但做太赫茲時域光譜成像仍耗時過長），再到毫秒量級采集一個頻譜（此時已經相當適合做太赫茲時域光譜成像）；今后的發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。
 
選型要點：首先，越高的采譜速度一般會意味著越低的頻譜分辨率，所以在考察時需要同時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，這樣實驗者可以權衡選擇不同的速度/分辨率組合。
 
我們以日本Advantest公司的太赫茲時域光譜儀為例;
 

 
 在太赫茲時域光譜測試時，<5GHz的頻譜分辨率一般已經認為是高分辨率測試，10-20GHz頻譜分辨率被認為是常規分辨率，所以從應用上看，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域光譜分析及太赫茲時域光譜成像的合適設備。
 
3．TDS-THz信號穿透性好：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用，比如無損探傷，探測包裝物內的危險品檢測，文物內部檢測等。
 
  選型要點：太赫茲時域光譜儀的無損檢測應用是采用太赫茲時域光譜成像法，最大的優點是可以在采集設備涵蓋的整個太赫茲頻段頻譜信息及空間信息，從而可以解析出每個頻點的太赫茲成像，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，為今后商品化的單頻太赫茲成像實驗或設備提供實驗指導。此時需要注意，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行分析則信噪比容易得到保證；另外在無損檢測時如果某物質或某缺陷在某頻率下有強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反射如果和半波長成整倍數則會產生干涉，在處理時可以回避；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，因為市場上所有的步進電機掃描臺的位移分辨率均為微米量級，遠遠高于太赫茲波段的百微米到毫米的物理衍射極限，所以商家標注的掃描臺位移分辨率對于太赫茲成像是不具備實際意義的，建議和廠家索要實際太赫茲光譜成像結果予以評估，達到百微米量級均被認為合格。
 
 圖3.采集太赫茲時域光譜成像數據后解析出的各頻點太赫茲影像
注：如圖可見成像質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。同等環境，同等樣品盡量在最優頻譜區解析圖像，如果對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信號是皮秒短脈沖輻射：與FT-IR的連續波輻射源不同，TDS-THz的信號是皮秒量級的短脈沖輻射，太赫茲輻射穿透性非常強，穿透進樣品達到各個界面，均會產生一個小反射波可以被探測器捕獲，從而可以采用飛行時間算法反推回膜厚或距離，利用步進電機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應用，比如各種透明，半透明，不透明材料的涂層檢測，膠囊厚度檢測，特種材料缺陷檢測，膜層厚度均一性檢測等。
 

圖4.飛行時間法測試厚度
 
日本Advantest公司太赫茲時域光譜儀典型應用：

• 各類材料太赫茲吸收譜，反射譜測試

• 生物，藥品，食品，農業，林業基礎科研

• 太赫茲新材料，新晶體的表征與研發

• 無損探傷，無損檢測的基礎研究

• 太赫茲通訊，太赫茲電子學的基礎研究

• 化學反應，晶體結晶過程的監控

• 危險品，毒品特征吸收譜庫建立及透過包裝物檢測

• 非接觸無損厚度測試，缺陷檢測

• 高速示波器或高頻電子器件的頻寬校準

• 低溫，強磁場，高壓等極限環境下的樣品太赫茲頻譜檢測