虹科问答 | 《浅谈太赫兹技术、产品与应用》直播问答速递

 

 

虹科光电的太赫兹主题直播圆满结束，

参加的观众提出了很多有价值的问题。

我们整理了全部的问题供各位学习参考~

 

虹科太赫兹直播Q&A
 

 

Q1

现在太赫兹方向有工业应用了吗？
 

A1：虽然目前太赫兹技术主要用于科研领域，但是在工业领域具有应用前景，并且已经有成熟的技术成品推出上市了。比如基于太赫兹时域光谱技术的厚度测量功能，可以应用于汽车的涂层测厚、风电航天行业的保护涂层测厚。另外，基于太赫兹成像技术也有望应用于食品药品包装检测、腐蚀检测等无损检测领域。虹科提供面向汽车涂层、风电航空航天船舶行业的涂层厚度与附着力检测的太赫兹系统，目前大众、西门子-歌美飒等国际大型公司都已经有所应用，具体可以查看我们官网的案例。由此可见，随着技术的发展，会有更多太赫兹技术成品投入到工业市场中。

Q2

太赫兹有哪些探测方法？

A2：太赫兹的探测方法可以分为相干探测和直接探测。相干探测中有光电导采样、电光采样和外差探测。光电导采样常用于太赫兹时域光谱仪中，基于光电导发射机理的逆过程，通过改变飞秒激光和太赫兹脉冲的时间延迟，可以得到整个太赫兹电场随时间的变化情况。另外还有基于线性电光效应的电光取样测量技术，也是可以用于脉冲太赫兹的测量。直接探测主要基于光热效应，利用太赫兹波在光敏材料中产生的热来进行测量，可以实现超宽带的太赫兹探测，也适合高频探测。目前主要包括高莱室、热释电、辐射热计、光热电探测器四大类。虹科可以提供基于热释电效应的太赫兹传感器，可以探测0.1T-30THz的范围，连接示波器或锁相放大器进行使用，最终可以获得太赫兹波的一个功率数值。

Q3

虹科的太赫兹产品有没有对脑组织成像的应用？空间分辨率多少？

A3：目前在科研领域有利用太赫兹技术对脑胶质瘤的脑组织进行成像的研究，您可以搜索到一些研究文献。不过目前虹科的产品在这方面还没有具体的应用案例，如果后期有新的案例可以及时分享。针对分辨率而言，目前虹科的实时成像系统最优为250um，雷达的分辨率最优为2mm，您可以根据自己的实际需求选择合适的产品来实现太赫兹成像。

Q4

有没有小型化的太赫兹源？

A4：针对太赫兹小型化的产品，目前国内有一些公司正在研制小型化的太赫兹时域光谱仪，尺寸达到手掌大小，能实现便携式使用。就太赫兹源而言，采用肖特基二极管倍频器原理的太赫兹源尺寸会更加小巧，比如虹科的TeraSchottky亚太赫兹源尺寸为11cm x 13cm x 5.5cm，重量为800g。同样基于倍频器原理的亚太赫兹雷达尺寸为20cm x 25cm x 10cm, 重约3kg。小型化的太赫兹源更适配工业环境，可以根据具体的应用需求来选择。随着技术的突破，未来太赫兹源会朝着小型化、便携式的方向发展。
 

Q5

太赫兹的实时成像系统与雷达都可以成像，有什么区别？

A5：首先，从产生太赫兹波的原理上，亚太赫兹雷达采用肖特基二极管技术倍频，可选频率少，处于亚太赫兹波段150GHz；TE-HV基于高性能量子级联激光器，集成多个芯片，6频率可选，处于太赫兹波段（2~5THz）。成像原理上，雷达信号的输出输入为同一根天线，将反射信号与原信号经过混频器混频，再进行数据分析，获得反射信号中的相位振幅信息，从而得到厚度、材料性质等信息，建立3D坐标，构建每个点的深度Z下的XY平面信息，从而实现3D成像。TE-HV系统结合摄像镜头与焦平面阵列模组，拥有强大的太赫兹光电转换器，可通过摄像与图像处理实现实时动态3D重构画面，拥有高分辨率，可多角度3D透视成像。应用方式上，雷达小巧紧凑，可方便集成于机械臂，适用多种工业场景，通过天线进行信号收发，配合机械臂移动单点扫描提取每点的深度信息，从而实现样品3D成像，无成像面积限制。TE-HV系统，太赫兹源与摄像镜头位置固定，样品限制于中间的样品架或旋转台中，可实时动态3D成像，成像面积受限于太赫兹照明区域，对环境有较高要求，更适用于科研平台。

Q6

国内太赫兹发展如何？有国产化的太赫兹产品吗？

A6：太赫兹关键技术要求较高，如太赫兹波的产生技术上，如量子级联激光器、飞秒激光器激发光电导天线、肖特基倍频技术中的关键器件还依赖进口。国内太赫兹光学器件的发展，主要得益于产学研的结合，国内公司布局太赫兹还需借助科研高校的力量。

近年的太赫兹方面的研究成果集中在各大研究所与国家实验室，如：中国电科38所旗下的企业开发出太赫兹安检系统。也有基于飞秒激光的太赫兹光谱仪的研究，比如中国科学院下属的大恒光电有自研的太赫兹时域光谱仪和太赫兹近场扫描系统。总之，国内起步晚，虽然有很多卡脖子技术暂未攻克，也还没有已经成熟应用的太赫兹产品，但也取得了一些突破，太赫兹技术正在由研发向产业化方向转变，并且国家也有对太赫兹技术应用相关的鼓励政策。

Q7

无损检测中太赫兹功率多少合适？目前穿透力够吗？

A7：太赫兹在无损检测应用中，穿透能力与太赫兹的波段、功率、所测材料的种类有关。通常情况下，亚太赫兹波（<1THz）会比太赫兹波（>1THz）穿透性会更好，相应的成像分辨率会略差一些。由于材料的种类、厚度均有差别，很难给出一个确定穿透的功率数值。在实际应用中，我们需要对不同的材料做一个太赫兹前期测试，才可以判断是否能够达到该材料的无损检测效果。

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测量海绵中水分浓度分布，精度如何？最大测厚范围为多少？

A8：含水量的分布成像研究可以利用太赫兹实时成像系统与太赫兹雷达来实现，成像精度分别为250um与2mm。目前测厚功能可测的最大范围可以到数十厘米，但是需要根据具体探测的材料来判定。

Q9

提供具有调制功能的太赫兹源吗？

A9：虹科提供的TeraSchottky亚太赫兹源具有12%的可调频宽度，通过软件即可调节。另外软件还提供完全可编程的频率扫描、脉冲和 FM 调制。

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  太赫兹在人机交互与医疗领域的具体应用？
 

A10：就人机交互领域，太赫兹最大的潜力在于太赫兹通信应用，国际预测太赫兹可能是6G或7G技术的关键。基于太赫兹的大带宽，6G或7G的时延将大大缩短，这意味着人机交互，或设备之间的交互反应时间变得更短，机器可以在更短的时间里作出更敏捷的反应与更大数据量的处理。该特点在无人驾驶领域、VR技术应用等方面，都有广大的应用前景。此外，太赫兹成像技术由于具有对光照不敏感、计算复杂度低、具有穿透能力等优点，对于人机交互过程中的手势识别可以实现更加精确的指令传达，这方面已有相关专利发表，相信不久的未来会有更多相关应用面世。太赫兹医疗主要在皮肤病学的诊断方面有较好的应用前景，因为太赫兹波可以穿透皮肤表层，检测到肉眼观察不到的皮肤病扩散范围，同时非电离辐射对人体没有伤害。比如克罗马大学的M. Ortolani利用虹科TeraSchottky亚太赫兹源制作的太赫兹显微镜，就可以用于皮肤病学的诊断。此外，利用正常组织与肿瘤组织含水量不同，在人体组织的医学太赫兹光谱成像可以进行早期诊断与鉴别，病变排查。
 

11

两种聚乙烯合成制品，其中一层有碳粉、金属颗粒等杂质，能否清晰成像？

A11：太赫兹可以穿透聚乙烯材料，碳粉、金属颗粒等杂质也可以通过信号强度的不同来区分出来。但是需要明确聚乙烯的厚度，通过前期测试判断是否可以完全穿透。另一个是需要明确杂质的尺寸范围，目前实时成像系统最优分辨率为250um，雷达的分辨率为2mm，如果杂质尺寸太小，成像效果是达不到预期的。

12

国内华讯方舟、华太极光和同方威视目前和国外差距在哪里？
 

A12：这些都是国内太赫兹自研的优秀企业，技术实力非常不错，差距要具体公司和产品分析；我们希望能够有机会与更多公司建立联系，互相交流。

13

请问目前薄膜测厚最薄能测多少，分辨率和精度呢？

A13：太赫兹雷达的测厚功能根据材料种类不同可测范围从亚毫米到数十厘米，实际使用中需要根据具体材料的种类来测试判定。雷达的成像的分辨率为2mm，测厚的精度为5um。

14

工业用的设备成本价格大概在哪个量级？

A14：目前太赫兹产品在工业方面的成本依旧很高，未完全实现产业化，还需要长期发展才能够成熟应用于工业。

15

设备是既能实现薄膜厚度测量，也可以实现比较厚的材料的损伤检测成像吗？

A15：太赫兹的穿透能力根据材料不同会有区别，可以实现薄膜的测厚与厚材料的内部损伤成像，但是针对某一个材料的具体穿透厚度需要前期的测试才可以完全确定。

16

有些场景是不是用光谱仪或色谱仪也可以？

A16：常规光谱仪也能测厚，但是因为波段在可见光或紫外红外，可穿透测厚的材料有限，色谱仪也被应用于材料鉴别.而太赫兹雷达或太赫兹光谱仪技术因为处于太赫兹波段，具有穿透性强、频谱覆盖范围宽（包含更多理化信息）、波谱分析能力优、定向性好、安全性高等优点，可应用的材料多。

17

太赫兹能不能穿透人体组织？弹性波与太赫兹波有什么区别？

A17：太赫兹不能穿透人体，但是对于较薄的离体活细胞去除一定水分后可以得到对比度较高的太赫兹图像。在活体检测中，由于大部分都处于水环境，太赫兹在水中传播衰减很大，因此很难穿透有一定厚度的组织。目前针对数百微米的浅表组织成像，比如人体的烧伤部位、皮肤病学诊断等方面有所应用。弹性波是应力波的一种，扰动或外力作用引起的应力和应变在弹性介质中传递的形式，弹性波必须依靠介质才能传播。某一质点因受到扰动或外力的作用而离开平衡位置后，弹性恢复力使该质点发生振动，从而引起周围质点的位移和振动，于是振动就在弹性介质中传播，本质是机械振动引起。太赫兹波是电磁波，原理是交变电场与磁场的互相激发传播，不依赖于介质。