太赫茲光譜探測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢*

曹恩達，于 勇，宋長波，趙一鳴

（北京遙測技術(shù)研究所 北京 100076）

引 言

構(gòu)成物質(zhì)的分子和原子具有不同的能級結(jié)構(gòu)，由于極性分子的振動和轉(zhuǎn)動能級躍遷在太赫茲單光子能量范圍內(nèi)，使得極性分子在太赫茲頻率范圍內(nèi)具有強烈的吸收光譜特性，不同分子的化學鍵鍵能不同，相應(yīng)的太赫茲吸收光譜也會呈現(xiàn)出不同的吸收特征。即使是有相同化學鍵和分子式的手性異構(gòu)分子也具有不同的太赫茲光譜特性，這為分子提供了獨特的指紋譜標識信息[1]。因此，通過太赫茲時域光譜探測技術(shù)可以實現(xiàn)物質(zhì)的特征識別。進行物質(zhì)光譜的研究在材料科學及其他需要分析物質(zhì)成分的領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。

太赫茲THz（Terahertz）是波動頻率單位之一。太赫茲波是頻率范圍為0.1THz～10THz 的電磁波，波長范圍為0.03mm～3mm，介于毫米波和紅外之間[2]。太赫茲波是人類迄今為止了解最少、開發(fā)最少的一個電磁波段，作為電磁波譜上新開發(fā)的一個頻段范圍，由于其獨特的性質(zhì)，太赫茲技術(shù)在生物醫(yī)學、通信、雷達以及安檢等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[3,4]。太赫茲波在物質(zhì)分析識別[5-9]、檢測材料內(nèi)部缺陷、評估涂層厚度[10]和密度、集成電路[11]和超導(dǎo)體近場探針[12]等多個領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價值。

本文將介紹太赫茲光譜探測技術(shù)及其特點，分析太赫茲光譜探測技術(shù)的發(fā)展歷程與現(xiàn)狀，并對太赫茲光譜技術(shù)發(fā)展趨勢進行展望。

1 太赫茲光譜探測技術(shù)

近二十年，在太赫茲光譜探測技術(shù)研究中，對太赫茲時域光譜THz-TDS（Terahertz-time domain spectroscopy）探測技術(shù)的研究最為廣泛。THz-TDS 的原理是，通過測量太赫茲輻射脈沖在物質(zhì)內(nèi)部傳輸后加載的物質(zhì)吸收系數(shù)等光學參數(shù)信息，或測量從物體表面反射的太赫茲輻射脈沖，獲取材料表面和空氣介質(zhì)間的介電常數(shù)突變信息，得到物質(zhì)的太赫茲光譜特征信息。利用THz-TDS 技術(shù)，可以得到物質(zhì)的太赫茲光譜，目前太赫茲技術(shù)的大部分應(yīng)用都基于此[13]。1984 年，THz-TDS 技術(shù)首先由北美電話電報公司（AT&T）、Bell 實驗室以及IBM 的Waston T.J.研發(fā)中心提出并開發(fā)[2]。目前，太赫茲光譜探測技術(shù)，可以廣義地分為低頻的微波毫米波太赫茲光譜探測（最大光譜頻率小于0.1THz）技術(shù)和高頻太赫茲光譜探測（0.1THz～10THz）技術(shù)。低頻毫米波太赫茲光譜探測技術(shù)主要通過微波輻射激發(fā)的技術(shù)途徑實現(xiàn)。高頻太赫茲光譜探測技術(shù)目前通常采用光電導(dǎo)激發(fā)和非線性光整流效應(yīng)的技術(shù)途徑實現(xiàn)。

在微波毫米波太赫茲光譜探測技術(shù)方面，由于太赫茲波頻率介于微波和紅外之間，在太赫茲技術(shù)的早期研究中，主要通過對微波的激發(fā)方法進行改進，以獲得太赫茲波。通過對LC 震蕩回路進行改進獲得更高的微波頻率，可以獲得頻率小于100GHz 的低頻太赫茲波。目前，常見的太赫茲成像安檢儀主要采用Ka 頻段的高頻微波實現(xiàn)，而近期在美國剛完成融資的RaySecur 太赫茲安檢應(yīng)用[14]則采用更高頻率的毫米波實現(xiàn)。這些微波毫米波太赫茲光譜探測設(shè)備具有輻射功率大、穿透能力強的優(yōu)點，但是受限于較低的光譜頻率范圍，不能有效地獲取分子振動和轉(zhuǎn)動能級信息，無法實現(xiàn)物質(zhì)光譜特征識別。微波毫米波探測手段對屏蔽物包裹下的物品固液氣性態(tài)具有較好的探測能力，并可通過成像的方式實現(xiàn)對物品外觀輪廓的描繪；但其對物品的具體成分以及是否具有危險性無法探測，限制了其在安檢領(lǐng)域的應(yīng)用。

在高頻太赫茲光譜探測技術(shù)方面，2002 年 Auston[15]利用藍寶石基輻射損傷的硅 RD-SOS（Radiation-damaged silicon on sapphire）首次實現(xiàn)光電導(dǎo)探測技術(shù)。光電導(dǎo)激發(fā)以能帶間隙在太赫茲光子能量范圍內(nèi)的光電導(dǎo)半導(dǎo)體材料（常用的有GaAs 半導(dǎo)體）作為太赫茲脈沖輻射的光學天線，通過超短激光脈沖（常用的有800nm 和1550nm 飛秒激光）照射激發(fā)電子空穴對，在外加電場作用下，產(chǎn)生電流強度迅速增加的瞬態(tài)漂移電流后，電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶輻射相干太赫茲脈沖[16]；光電導(dǎo)采樣以低溫生長的GaAs 半導(dǎo)體和InP 半導(dǎo)體為天線，以激發(fā)太赫茲光學天線的超短脈沖激光作為采樣脈沖照射天線產(chǎn)生自由載流子，以太赫茲脈沖的電場作為偏轉(zhuǎn)電場，促使自由載流子運動產(chǎn)生強度隨太赫茲電場變化的電流，對電流探測可擬合出被測太赫茲電場。由于載流子存在時間非常短，只有在光電導(dǎo)半導(dǎo)體材料上，超短激光采樣脈沖和太赫茲脈沖同時照射時，探測器中才會產(chǎn)生電流脈沖，且在探測器中通過的電流大小與瞬態(tài)太赫茲電場成正比（如圖1B 所示）。通過改變太赫茲產(chǎn)生脈沖和光學門之間的延遲就能快速掃描重建整個太赫茲波形，并由天線直接恢復(fù)太赫茲電場[16]。在高頻太赫茲光譜探測技術(shù)中，光電導(dǎo)采樣法已經(jīng)成為太赫茲脈沖探測中常用的方法，原理如圖1 所示。類似光電導(dǎo)法，非線性光整流效應(yīng)法也是由超短激光脈沖照射天線產(chǎn)生自由載流子，不同的是，光整流效應(yīng)法通過在非中心對稱的晶體材料（常用的有ZnTe 晶體）中發(fā)生非線性極化耦合，將光頻耦合至太赫茲頻率，產(chǎn)生太赫茲波[17]。

圖1 光電導(dǎo)收發(fā)原理Fig.1 Photoconductive emitter and sampling principle

由于高頻太赫茲光譜范圍有效覆蓋物質(zhì)的分子能級躍遷，且高頻太赫茲光譜探測技術(shù)的實現(xiàn)方法產(chǎn)生的是相干太赫茲波，能夠同時探測光譜的能量和相位信息，通過反演得到有重要意義的參數(shù)，包括物質(zhì)的折射率和吸收系數(shù)等。但目前高頻太赫茲光譜探測設(shè)備的太赫茲發(fā)射功率主要集中在微瓦量級，發(fā)射功率較低。

2 太赫茲光譜探測特點

太赫茲與其他頻段光譜技術(shù)相比具備以下六點特性。

第一，低能量：1THz 電磁輻射的單光子能量只有4.1meV，遠低于各種化學鍵的鍵能，不會引起有害的電離，在醫(yī)學檢查和無損檢測方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

第二，特征指紋性：脈沖太赫茲輻射的頻譜范圍從幾百GHz 到十幾THz，許多生物大分子的振動和轉(zhuǎn)動能級、以及半導(dǎo)體和超導(dǎo)材料的聲子振動能級都落在太赫茲頻段，在光譜分析和物質(zhì)識別等方面具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

第三，強穿透性：大部分非極性材料不會明顯地吸收太赫茲波，太赫茲波能夠以很小的衰減穿透陶瓷、脂肪、布料及塑料等物質(zhì)，因此，太赫茲波對于這些常用的覆蓋材料有非常強的穿透能力，使得太赫茲在公共場所進行安全檢查方面具有非常好的應(yīng)用前景。

第四，瞬態(tài)性：脈沖太赫茲輻射的典型時間寬度大約在皮秒或者亞皮秒量級，可以對材料進行超快時間研究。

第五，穩(wěn)定性：太赫茲時域光譜系統(tǒng)對黑體輻射不敏感，在小于3THz 范圍內(nèi)信噪比達104:1，遠遠高于傅里葉變換紅外光譜技術(shù)，而且穩(wěn)定性也更好。

第六，相干性：現(xiàn)在常用的光電導(dǎo)和光整流太赫茲技術(shù)獲得的太赫茲脈沖的相干長度可以到達ns 量級，具有很高的時、空相干性，作為近場探針研究超導(dǎo)體等材料的瞬態(tài)相干動力學時具有極好的優(yōu)勢[3]。

3 太赫茲頻譜探測技術(shù)發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

在目前的太赫茲技術(shù)研究與應(yīng)用中，0.1THz～10THz 頻段范圍的太赫茲技術(shù)的成熟度依然處于實驗室研究階段，而應(yīng)用于工業(yè)級和實現(xiàn)產(chǎn)品化的高成熟度的太赫茲探測技術(shù)的工作頻段主要集中于微波毫米波的低頻部分。因此，產(chǎn)學界廣義地將微波毫米波探測技術(shù)定義為低頻太赫茲探測技術(shù)，而將0.1THz～10THz 頻段范圍的太赫茲探測技術(shù)定義為高頻太赫茲探測技術(shù)。

3.1 基于微波毫米波的太赫茲探測技術(shù)發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

2002 年，采用微波毫米波的太赫茲光譜探測技術(shù)的太赫茲成像安檢設(shè)備在美國實現(xiàn)[18]。在實驗室條件下，其采用的微波太赫茲波成功透射了人體衣物，識別出了人體腋下報紙包裹的匕首以及西裝下的金屬飾物和手槍，該設(shè)備的探測結(jié)果如圖2 所示。該探測設(shè)備驗證了微波太赫茲成像探測的可行性，由于微波太赫茲輻射為非有害的電離輻射，且微波太赫茲波發(fā)射功率大、穿透能力強，使得微波太赫茲探測技術(shù)快速發(fā)展并實現(xiàn)商業(yè)化。其中由L3 公司開發(fā)的ProVision3D 太赫茲安檢儀采用毫米波發(fā)射機制，技術(shù)較為成熟，已經(jīng)在世界上的多個主要機場實現(xiàn)應(yīng)用。

由于衣物等包裹物在低頻的微波太赫茲下幾乎無衰減而人體對太赫茲波強吸收，在人體安檢應(yīng)用中，保護個人隱私問題成為困擾微波太赫茲探測技術(shù)發(fā)展的難題。

針對上述難題，在微波毫米波太赫茲探測技術(shù)研究中，發(fā)展出多種成像隱私保護技術(shù)。2013 年，在上述的ProVision3D 太赫茲安檢儀中，美國L3 公司在隱私保護方面采用了人體通用圖片代替太赫茲原始探測圖片的方式呈現(xiàn)[19]。2019 年，美國的RaySecur 公司通過采用頻率更高的毫米波太赫茲探測技術(shù)，提高了人體的太赫茲透射強度，在成像原圖中降低了人體隱私部位成像的可能性及可識別程度。

國內(nèi)方面，2010 年北京無線電計量研究所在微波毫米波太赫茲成像探測系統(tǒng)的研制中，采用了去隱私部位圖像的處理算法，通過識別人體隱私部位并在成像原圖中實時引入遮擋的方式，最大限度地保護人體隱私[20]。2017 年，上海微系統(tǒng)所的葉金晶等人[21]提出了一種個人隱私保護算法，可以應(yīng)用于人體毫米波成像安檢系統(tǒng)，而不受被檢測人員的體形高低和胖瘦等特征的影響。該算法通過將毫米波太赫茲圖像的背景噪聲進行弱化，并采用圖像灰度二值化和形態(tài)學處理區(qū)分背景與人體目標，根據(jù)身高劃分的人體部位比例對處理后圖像的像素點做遍歷求最值法，實現(xiàn)隱私部位的定位并對原始圖像進行不透明遮擋，可以滿足標準站姿下不同身高受檢人的隱私部位定位需求。

值得一提的是，在安檢應(yīng)用領(lǐng)域，北京遙測技術(shù)研究所完成了太赫茲時域光譜安檢儀樣機的研制，并在新疆烏魯木齊南站及深圳福田地鐵站完成太赫茲人體安檢儀的演示驗證，如圖3所示，已經(jīng)具備批量生產(chǎn)條件。針對微波太赫茲探測技術(shù)保護個人隱私的難題，在2019 年，北京遙測技術(shù)研究所提出一種解決方法。在人體掃描區(qū)設(shè)置人體雙腳放置標準位，并采用標準站姿的方式進行成像掃描探測；采用類似L3 公司的人體通用圖片代替掃描的人體原圖的方法，并設(shè)置深度學習網(wǎng)絡(luò)對設(shè)備算法進行訓(xùn)練，通過大量的數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)對危險品放置位置的識別，并在人體通用圖片中實時顯示。該方法可有效識別危險品的藏匿位置并保護個人隱私。

綜上所述，目前國內(nèi)外微波毫米波太赫茲探測技術(shù)已經(jīng)成熟并實現(xiàn)了商品化。作為一種無電離輻射的安檢設(shè)備可以安全高效地實現(xiàn)人體掃描安檢，是對X 光安檢儀應(yīng)用弊端的有效補充。但是由于微波毫米波太赫茲探測采用的太赫茲波頻率低于0.1THz，未能覆蓋物質(zhì)指紋譜的光譜范圍（0.1THz～10THz），因此，在安檢應(yīng)用中無法識別人體隨身物品的具體物質(zhì)成分，依然需要對物品逐一進行人工檢查。

圖3 北遙所太赫茲人體安檢儀樣機Fig.3 Demonstration of THz body security apparatus by BRIT

3.2 高頻太赫茲探測技術(shù)發(fā)展歷程與現(xiàn)狀

2002 年Auston 首次實現(xiàn)光電導(dǎo)探測技術(shù)[15]，使得高頻的太赫茲光譜探測技術(shù)成為可能。由于早期用于泵浦高頻太赫茲波的飛秒激光產(chǎn)生困難，且設(shè)備昂貴，限制了光譜太赫茲探測技術(shù)的發(fā)展。近年來，歸功于光纖飛秒激光器的快速發(fā)展，采用光纖飛秒激光器使太赫茲時域光譜儀的體積、重量以及成本大大降低，可靠性提高。目前，基于太赫茲光譜分析的實用化檢測裝置已經(jīng)具備了體積小、光譜范圍寬、測量速度快、成本低等特點。

近十年，國際市場上已出現(xiàn)商業(yè)化的太赫茲光譜分析系統(tǒng)，代表性產(chǎn)品有美國Zomega 公司的mini-Z小型化太赫茲時域光譜儀、Picometrix 公司的T-ray 4000 系統(tǒng)以及英國TeraView 公司的TPS spectra 光譜儀等。

2012 年，英國TeraView 公司研發(fā)設(shè)計的TPS Spectra 3000 太赫茲光譜儀[22]（如圖4 所示），成為世界上第一臺能夠同時進行透射和衰減全反射ATR（Attenuated total reflection）測量的商用太赫茲光譜儀。TPS Spectra 3000 基于TeraView 專有的基于半導(dǎo)體的太赫茲脈沖技術(shù)，可在室內(nèi)環(huán)境條件下運行并提供卓越的分析性能。TPS Spectra 3000 的模塊化樣品室可接受標準紅外采樣附件，用于傳輸測量。ATR 模塊可以提供固體、懸浮液、漿料漿和凝膠的無損測量，并且可以從1mg 的固體樣品中獲得光譜信息。TPS Spectra 3000 也可用于研究分子間氫鍵振動、晶體結(jié)構(gòu)晶格振動或低頻內(nèi)部振動，而無需考慮熱效應(yīng)。

Tholabs 于2016 年2 月，研制成功了專為波長1550nm 左右的激光脈沖運作而設(shè)計的全光纖飛秒激光太赫茲光譜儀Terasmart Menlo Systems[23]，如圖5 所示。該光譜儀為高速寬頻時域太赫茲光譜測量提供了一鍵啟動式解決方案。它結(jié)合了配備Menlo Systems 最新鎖模技術(shù)的飛秒光纖激光源，有集成化的光纖耦合光路和可靠的延遲線。

圖4 TPS Spectra 3000 太赫茲光譜儀Fig.4 TPS Spectra 3000 THz-TDS

圖5 TeraSmart Menlo Systems 太赫茲光譜儀Fig.5 TeraSmart Menlo Systems THz-TDS

綜上所述，國外已研制成功的太赫茲時域光譜儀配置參數(shù)，見表1。

我國很早就積極投入到太赫茲相關(guān)的技術(shù)研究中，并實現(xiàn)了太赫茲時域光譜系統(tǒng)平臺的研制。目前，國內(nèi)太赫茲時域光譜技術(shù)還處于樣機研制階段，上海理工大學研究完成了工程化水平很低的產(chǎn)品。同樣，天津大學的精密儀器與光電子工程學院太赫茲中心在2013 年也已研發(fā)有太赫茲時域光譜系統(tǒng)FPcA-Ⅱ型THz-TDS 光譜儀[24]，采用自由空間傳輸，傳輸光路為8-F 共焦式幾何光路，整個系統(tǒng)平置于氣浮式的光學平臺上[25]，如圖6 所示。

表1 國外主要太赫茲時域光譜儀指標Table 1 Capabilities of main terahertz time domain spectrometer abroad

圖6 8-F 太赫茲時域光譜系統(tǒng)光路部分Fig.6 8-F Optical path portion of terahertz time-domain spectroscopy system

從2013 年到2017 年，大恒新紀元科技股份有限公司作為牽頭單位，聯(lián)合首都師范大學等11 家單位，獲批國家重大科研儀器專項“基于飛秒激光的太赫茲時域光譜儀開發(fā)”[26]，開展了太赫茲時域光譜儀的研制。

高頻太赫茲波由于具有可穿透非極性物質(zhì)且空間分辨率高的特點，用于無損檢測可克服X 射線穿透性太高而超聲波對某些材料又無法穿過的缺點，成為無損檢測中對傳統(tǒng)方法的有益補充。利用太赫茲技術(shù)可成功探測聚合物內(nèi)部的氣泡及陶瓷中的裂縫[27]。本世紀初，美國倫斯勒理工學院研究應(yīng)用太赫茲技術(shù)對航天飛機的絕緣泡沫層進行檢測，使得太赫茲技術(shù)被美國航空航天局確定為航天安全檢測工具之一[27]。2011 年，日本Hirakawa 等人[28]利用高頻太赫茲探測技術(shù)檢測了天然橡膠、丁苯橡膠、丁腈橡膠和其他包含炭黑、硫、氧化鋅等添加物的橡膠材料的吸收光譜，證明了太赫茲波可應(yīng)用于橡膠材料的無損檢測。2019 年，北京食品安全大數(shù)據(jù)技術(shù)重點實驗室基于高頻太赫茲探測技術(shù)對帶包裝面粉進行了品質(zhì)的快速無損檢測[29]，驗證了采用高頻太赫茲探測技術(shù)在食品安全領(lǐng)域進行快速無損檢測的可行性。

由于受探測器動態(tài)范圍的限制，目前高頻太赫茲探測技術(shù)的光譜范圍主要集中在0.1THz～5THz，但是依然有效地覆蓋了物質(zhì)指紋譜的光譜范圍（0.1THz～10THz）。目前在太赫茲物質(zhì)光譜探測分析中，主要采用的分析方法依然為Dorney 等人[30,31]提出的獲取材料折射率和吸收系數(shù)等光學參數(shù)的物理模型。該方法將樣品和大氣的時域太赫茲信號通過傅里葉平方譜變換得到的樣品頻譜與大氣參考信號的頻譜(ω)相比，得到樣品對太赫茲的傳輸函數(shù)中包含樣品的復(fù)折射率的信息，其中，n(ω)為實折射率，k(ω)為消光系數(shù)。在弱吸收近似下（k<

式中，ω為太赫茲波的角頻率，c 為光速，T(ω) 表示樣品與大氣參考信號振幅模的比，φ(ω) 表示經(jīng)樣品傳輸后太赫茲波的相位差，α(ω) 表示樣品吸收參數(shù)，通過計算可以得到樣品的φ(ω) 和T(ω)，以及折射率n(ω) 和吸收參數(shù)α(ω) 。

基于上述分析方法，2008 年，Megan R 等人[32]利用太赫茲反射光譜儀對10%質(zhì)量的糖和聚乙烯混合得到的樣品和塊狀糖進行對比研究，確定了其反射光譜在小于0.4THz 范圍的一致性和0.8THz～1THz范圍的差異性；2009年，Ruishu F等人[33]利用太赫茲時域光譜技術(shù)獲得了惰性RDX和HMX單質(zhì)及TNPG鹽的樣品吸收參數(shù)和反射率等光學參數(shù)，通過測量確定了上述混合爆炸物及其單質(zhì)的吸收峰大略落在0.82THz 處的相同位置；2009 年，Brian 等人[34]利用mini-Z 太赫茲時域光譜儀對包含食品藥品和爆炸物在內(nèi)的共8 種物質(zhì)進行了非接觸檢測和識別，驗證了在小于200ms 的實時樣品采樣時間下，以實時速率測量和鑒定多種高能化合物的可行性；2011 年Gerald 等人[35]對乙醇、水、肌肉以及新鮮脂肪組織等生物組織分子的光學特性進行了太赫茲光譜技術(shù)表征，并與傳統(tǒng)的微波或傅里葉變換遠紅外光譜方法進行了對比，通過太赫茲光譜法表征直接獲得了組織分子的吸收系數(shù)和折射率；2015 年，David 等人[36]測量了水蒸氣和甲醇的太赫茲光譜參數(shù)并與HITRAN 所列參數(shù)的差異進行了討論，通過二階導(dǎo)數(shù)分析方法實現(xiàn)了178 個轉(zhuǎn)變的中心頻率和相對強度的識別，為環(huán)境監(jiān)測和天體物理學領(lǐng)域的研究提供了參考。

國內(nèi)在2013 年，李利龍等人[37]采用高頻太赫茲探測技術(shù)對七種植物油及兩種調(diào)和油進行了太赫茲光譜分析，并總結(jié)出各油脂吸收光譜的特征；2016 年，王文愛等人[38]采用透射太赫茲時域光譜技術(shù)在室溫氮氣氛圍下對D＋右旋葡萄糖進行了光譜分析，確定了無水葡萄糖的11 個太赫茲特征吸收峰位置為0.94THz、1.30THz、1.44THz、1.67THz、1.88THz、2.08THz、2.31THz、2.55THz、2.70THz、2.84 THz和2.96THz；2019 年，龍莎等人[39]在0.2THz～1.5THz 范圍，對真皮革和人工革的太赫茲吸收系數(shù)和折射率進行了測量，確定了在1.0THz 處，真皮革和人工革的吸收系數(shù)和折射率的差異，為真假皮革的鑒別提供了重要參考；2019 年，殷賢華等人[40]利用太赫茲時域光譜技術(shù)透射測量得到了2-巰基苯并噻唑MBT（橡膠促進劑）和聚乙烯混合物在0.3THz～1.4THz 的吸收特征譜，并提出一種模型用于對MBT 有效含量進行定量檢測研究。

綜上所述，基于Dorney 等人提出的太赫茲時域光譜分析方法，可以廣泛應(yīng)用在高頻太赫茲探測技術(shù)中，該方法具有無需執(zhí)行Kramers-Kronig 變換分析，直接通過測量振幅和相位信息即可獲得樣品的復(fù)介電常數(shù)的優(yōu)點。

但是，目前高頻太赫茲探測技術(shù)實現(xiàn)依然停留在實驗室階段。由于空氣中含有水蒸氣等大量的極性分子會強烈吸收太赫茲波，使得高頻太赫茲光譜中出現(xiàn)大量的水氣太赫茲特征吸收峰嚴重影響了物質(zhì)光譜的探測識別分析，這使得大部分的物質(zhì)太赫茲光譜識別與分析都被迫在實驗室的干燥氮氣氛圍中進行，同時受泵浦-探針式太赫茲時域光譜技術(shù)發(fā)射功率限制，漫反射太赫茲光譜動態(tài)范圍較低，目前物質(zhì)太赫茲時域光譜探測分析研究的主要途徑依然是透射光譜。

因此，在高頻太赫茲探測技術(shù)的研究中，如何實現(xiàn)一般大氣條件下的太赫茲光譜探測并能有效避免大氣吸收的干擾，是實現(xiàn)高頻太赫茲探測技術(shù)實用化的關(guān)鍵技術(shù)難點；目前對太赫茲時域光譜進行分析的方法需要準確的相位信息，如何在算法上實現(xiàn)探測樣品厚度估計而不用測量，通過迭代收斂得到準確的樣品復(fù)介電常數(shù)信息，是實現(xiàn)高頻太赫茲探測技術(shù)快速準確地進行物質(zhì)識別的關(guān)鍵技術(shù)難點。

4 太赫茲光譜技術(shù)發(fā)展趨勢

①高頻太赫茲光譜探測技術(shù)向高功率的方向發(fā)展

受光電導(dǎo)及光整流效應(yīng)實現(xiàn)的泵浦-探針式太赫茲時域光譜技術(shù)發(fā)射功率限制，且大氣對高頻太赫茲波具有強吸收性，這嚴重影響了高頻太赫茲光譜探測技術(shù)的應(yīng)用。為實現(xiàn)高頻太赫茲探測技術(shù)實用化，必須有效地提高高頻太赫茲波激發(fā)的功率，使時域光譜測量具有大的動態(tài)范圍。在2019 年，徐世祥等人[41]開始對強場太赫茲時域光譜測量技術(shù)進行研究。

②太赫茲光譜探測向低頻微波毫米波太赫茲與高頻太赫茲復(fù)合探測的方向發(fā)展

高頻太赫茲探測技術(shù)有效覆蓋了物質(zhì)指紋譜范圍，且相關(guān)的物質(zhì)指紋譜特征分析方法已經(jīng)成熟，可以有效補充低頻微波毫米波太赫茲探測技術(shù)的不足，但高頻太赫茲探測技術(shù)受太赫茲發(fā)射功率限制，只能進行近距離無接觸的局部探測，遍歷掃描人體所需時間較長。通過低頻的微波毫米波太赫茲探測技術(shù)對人體快速掃描成像定位隨身物品位置，再采用高頻太赫茲光譜探測技術(shù)對物品進行局部光譜采樣分析可以實現(xiàn)實用化的太赫茲快速無接觸安檢應(yīng)用[42]。

③高頻太赫茲光譜探測向太赫茲陣列探測方向發(fā)展

受單個高頻太赫茲時域光譜系統(tǒng)的發(fā)射功率限制，光譜掃描探測視場和面積較小，通過對太赫茲發(fā)射器和探測器陣列式布置，可以使高頻太赫茲光譜探測技術(shù)具有瞬時大視場覆蓋探測能力和小型化太赫茲成像系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)勢，可以支持大范圍區(qū)域內(nèi)動態(tài)監(jiān)測，并可以對多個目標同時跟蹤，在目標跟蹤和制導(dǎo)等國防領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。

④太赫茲光學系統(tǒng)向折射式光學系統(tǒng)發(fā)展

過去在太赫茲波段具有良好透射性能的材料非常少，適用于制成太赫茲透鏡的光學材料的色散差異小，難以滿足成像光學系統(tǒng)設(shè)計的需求[43,44]。近些年太赫茲技術(shù)能夠快速發(fā)展，就是歸功于高阻硅（HRFZ-Si）太赫茲折射光學材料的出現(xiàn)[45]。近年來隨著材料科學的發(fā)展，TPX、PE 和PTFE 等太赫茲有機材料被證明在200μm～1000μm 波長范圍，透過率基本一致，可以達到80%～90%，有效推動了太赫茲折射光學系統(tǒng)的發(fā)展。

5 結(jié)束語

太赫茲時域光譜探測技術(shù)自20 世紀80 年代出現(xiàn)到現(xiàn)在，國外的研究發(fā)展經(jīng)歷了設(shè)備龐大的太赫茲透射光譜探測系統(tǒng)到較小體積的固定樣品室的太赫茲漫反射光譜探測系統(tǒng)，最后到目前輕量化的手持式太赫茲光譜探測系統(tǒng)的三個階段。而國內(nèi)也已經(jīng)經(jīng)歷了太赫茲透射光譜探測系統(tǒng)到固定樣品室的太赫茲漫反射光譜探測系統(tǒng)的兩個階段。可以確定，輕量化的手持式太赫茲光譜探測系統(tǒng)研究正是目前國內(nèi)外在太赫茲光譜探測系統(tǒng)研究領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。

作為最新的太赫茲技術(shù)，太赫茲時域光譜技術(shù)具有獨一無二的優(yōu)點，近十年來得到相當?shù)陌l(fā)展和應(yīng)用。最近，太赫茲時域光譜技術(shù)的頻率測量范圍已經(jīng)從遠紅外擴展到近紅外。同時，由于低成本的全光纖飛秒激光器和更先進的太赫茲透射光學系統(tǒng)設(shè)計的發(fā)展，以及基于低溫生長的InGaAs 光電導(dǎo)材料等更高效的太赫茲收發(fā)天線的出現(xiàn)，太赫茲時域光譜探測技術(shù)的商業(yè)工業(yè)級應(yīng)用前景將更加廣闊。高性能、實用化、便攜性已成為目前太赫茲光譜分析儀器產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展方向。隨著更適宜作小型化太赫茲源的、用于太赫茲波泵浦的全光纖飛秒激光器的研究發(fā)展以及，世界各國對太赫茲技術(shù)的重視和大力扶持，相信在不久的將來，適用于近距離探測的小型化手持式太赫茲光譜探測系統(tǒng)研究將迎來更大的發(fā)展。