太赫茲輻射的波長介于微波和可見光之間，可以穿透許多非金屬材料并檢測某些分子的特征，這些特性可用于多種應(yīng)用，包括機場安全掃描、工業(yè)質(zhì)量控制、天體物理觀測、材料的無損表征以及帶寬高于當前手機頻段的無線通信。

圖1太赫茲波的頻率范圍

如此多的應(yīng)用，離不開太赫茲成像技術(shù)的實現(xiàn)，通過各類太赫茲探測器去獲取太赫茲波與物體作用后的信號，結(jié)合圖像處理算法得到能夠反映物體內(nèi)部缺陷、異物以及各類結(jié)構(gòu)表征的完整圖像，是太赫茲技術(shù)應(yīng)用于無損檢測、安檢的重要前提。因此，太赫茲探測器一直是科學家們研究的熱點課題，特別是開發(fā)出檢測靈敏度高、響應(yīng)速度快、可室溫工作、便于集成超大規(guī)模陣列（多像元）的探測芯片具有重要科學意義和實際應(yīng)用價值。

1.微測熱輻射計(microbolometer)太赫茲相機

目前，設(shè)計用于檢測太赫茲波并制作圖像的設(shè)備一直具有挑戰(zhàn)性，比如低溫超導探測器靈敏度很高，但是設(shè)備價格昂貴、緩慢、笨重，并且需要真空系統(tǒng)和極低的溫度。另一類室溫探測成像的設(shè)備，則是采用微測熱輻射計(microbolometer)計原理。

基于光熱效應(yīng)的太赫茲微測輻射熱計具有室溫成像、實時成像、簡單易攜且具有與紅外微測輻射熱計結(jié)構(gòu)、工藝相兼容等優(yōu)點。其基本工作原理為入射到微橋結(jié)構(gòu)的太赫茲輻射使得熱敏電阻層溫度產(chǎn)生變化，從而引起熱敏電阻層的阻值發(fā)生變化，在外加偏置的作用下產(chǎn)生相應(yīng)的電學信號輸出，最后還原成圖像信息。

圖2微測輻射熱計輻射吸收模型

其中，微橋結(jié)構(gòu)的設(shè)計是影響微測輻射熱計性能的關(guān)鍵因素。2005年美國MIT的Alan W.M.Lee等人提出了基于VOx焦平面探測器的連續(xù)波太赫茲透射成像，其采用了BAE System公司SCC 500L VOx焦平面探測器組件，像元數(shù)為160×120，像元尺寸為46um×46um，實現(xiàn)了2.52THz連續(xù)波透射成像，證明了采用微測輻射熱計作為太赫茲探測器的可行性。

圖3太赫茲微測輻射熱計的微橋結(jié)構(gòu)

但由于相比于紅外輻射，太赫茲輻射的能量更低，波長更長，傳統(tǒng)的微橋結(jié)構(gòu)用于太赫茲波段時存在靈敏度不高且分辨率較低的問題。為了提高微橋結(jié)構(gòu)對太赫茲輻射的吸收效率，必須設(shè)計新的微橋結(jié)構(gòu)，如將單層結(jié)構(gòu)改為雙層微橋結(jié)構(gòu)或者改變橋腿結(jié)構(gòu)等方案。2008年，日本NEC公司通過在傳統(tǒng)的基于VOx熱敏材料的微橋構(gòu)頂層增加一層金屬吸收層以提高微橋?qū)μ掌澼椛涞奈章?，采用該種結(jié)構(gòu)的微橋結(jié)構(gòu)對太赫茲輻射的探測率相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)而言有了一定提高。

圖4 (a)“I型”橋腿； (b)“L型”橋腿；(c)改進結(jié)構(gòu)

由于太赫茲波段的microbolometer陣列工藝和紅外相機兼容，是最先實現(xiàn)太赫茲相機的芯片，也是目前研制太赫茲相機的主流。國外目前已經(jīng)有行業(yè)內(nèi)知名企業(yè)推出了成熟的太赫茲相機產(chǎn)品，國內(nèi)的市場占比穩(wěn)居前列。

圖5虹科TE-HV成像系統(tǒng)采用的太赫茲相機與對樹葉的成像效果圖

除此以外，基于場效應(yīng)管的檢測器陣列、基于量子阱（QW）的多像元探測器陣列等技術(shù)也是研究的熱點。國內(nèi)許多研究機構(gòu)都致力于太赫茲陣列探測器的國產(chǎn)化研究，比如中科院蘇州納米所實現(xiàn)了晶體管混頻探測器的陣列化、上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所在量子阱探測器方面也有諸多突破，但目前還未實現(xiàn)完全商業(yè)化。

2.量子點太赫茲相機

近期，麻省理工學院、明尼蘇達大學和三星的研究人員開發(fā)了一種新型相機，可以在室溫和高壓下快速、高靈敏度地檢測太赫茲脈沖。更重要的是，它可以同時實時捕獲有關(guān)波的方向或“極化”的信息，這是現(xiàn)有設(shè)備無法做到的，該信息可用于表征具有不對稱分子的材料或確定材料的表面形貌。

新系統(tǒng)使用了量子點，當受到太赫茲波的刺激時，量子點可以發(fā)出可見光，可見光可以通過類似于標準電子相機探測器的設(shè)備記錄下來，甚至可以用肉眼看到。麻省理工學院博士生石焦建、化學教授基思·尼爾森（Keith Nelson）和其他12人于11月4日在《自然納米技術(shù)》雜志上發(fā)表的一篇論文中描述了該設(shè)備。

該團隊生產(chǎn)了兩種可以在室溫下運行的不同設(shè)備：一種利用量子點將太赫茲脈沖轉(zhuǎn)換為可見光的能力，使該設(shè)備能夠產(chǎn)生材料圖像;另一個產(chǎn)生顯示太赫茲波偏振狀態(tài)的圖像。新的“相機”由幾層組成，采用標準制造技術(shù)制成，如用于微芯片的技術(shù)。一系列納米級平行的金線，由狹窄的狹縫隔開，位于基板上;上面是一層發(fā)光量子點材料;上面是用于形成圖像的CMOS芯片。偏振檢測器，稱為旋光儀，使用類似的結(jié)構(gòu)，但具有納米級環(huán)形狹縫，使其能夠檢測入射光束的偏振。

圖7偏振敏感太赫茲成像實驗方案

太赫茲輻射的光子能量極低，這使得它們難以探測。所以，這個設(shè)備正在做的是將微小的光子能量轉(zhuǎn)化為可見的東西，很容易用普通相機檢測到。在該團隊的實驗中，該設(shè)備能夠以低強度水平檢測太赫茲脈沖，這超過了當今大型和昂貴系統(tǒng)的能力。研究人員通過拍攝其設(shè)備中使用的一些結(jié)構(gòu)的太赫茲照明照片來展示探測器的功能，例如用于偏振探測器的納米間隔金線和環(huán)形狹縫，證明了系統(tǒng)的靈敏度和分辨率。

圖8相機對太赫茲波的旋光測量

雖然研究人員表示，他們已經(jīng)通過他們的新工作破解了太赫茲脈沖檢測問題，但缺乏良好的來源仍然存在—并且正在由世界各地的許多研究小組進行研究。Nelson說，新研究中使用的太赫茲光源是一個龐大而笨重的激光器和光學設(shè)備陣列，不容易擴展到實際應(yīng)用，但基于微電子技術(shù)的新光源正在開發(fā)中。

該論文的合著者，明尼蘇達大學電氣和計算機工程麥克奈特教授Sang-Hyun Oh補充說，用于該系統(tǒng)的CMOS相機的廉價性質(zhì)使其成為“朝著構(gòu)建實用的太赫茲相機邁出的一大步”。事實上，與現(xiàn)有的太赫茲探測器不同，整個太赫茲相機芯片可以使用當今的標準微芯片生產(chǎn)系統(tǒng)制造，這意味著最終大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)該是可能的，而且相對便宜，商業(yè)化的潛力促使生產(chǎn)CMOS相機芯片和量子點器件的三星合作開展這項研究。

3.虹科太赫茲相機方案

虹科TeraEyes-HV實時成像系統(tǒng)包括QCL源、光學系統(tǒng)與太赫茲相機，可實現(xiàn)高分辨全場實時成像，可用于無損檢測、安檢等諸多應(yīng)用。其中高頻段（2~5THz）太赫茲源基于量子級聯(lián)激光器原理，具有250um的最優(yōu)分辨率；太赫茲相機基于微測熱輻射計芯片，陣列384×288×35um，每秒可采集50幀圖像，搭配TeraLens高分辨率優(yōu)化太赫茲成像鏡頭，工作距離與景深可調(diào)，滿足多種應(yīng)用場景。

除此以外，虹科還提供多陣列可選的微測熱輻射計太赫茲相機，相應(yīng)范圍0.1-20THz，陣列從最低的160×120到最高百萬像素。

參考文獻

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【2】Naoki Oda,et al.“Detection of terahertz radiation from quantum cascade laser,using vanadium oxide micro-bolometer focal plane arrays”[C].Proc.of SPIE,2008,6940:69402Y-1-6940Y-12

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【4】茍君.基于氧化釩微測輻射熱計的室溫太赫茲探測器研究[D].電子科技大學.

審核編輯黃昊宇