太赫茲成像系統(tǒng)經(jīng)過過去十來年的發(fā)展業(yè)已成熟。推動(dòng)其發(fā)展的一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)力是集成光學(xué)技術(shù)在通信領(lǐng)域的使用，實(shí)現(xiàn)了緊湊型、高性能時(shí)域光譜（TDS）系統(tǒng)。

在現(xiàn)代太赫茲TDS系統(tǒng)中，光纖耦合集成元件已經(jīng)完全取代了分布式自由空間光學(xué)器件。這不僅意味著在空間需求方面具有優(yōu)勢(shì)，也有利于將太赫茲測(cè)量性能集成到各種類型的科學(xué)和工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)中。具體來說，晶圓分析系統(tǒng)就可以利用太赫茲微探針來實(shí)現(xiàn)高分辨率近場(chǎng)成像。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，位于德國(guó)慕尼黑的Toptica Photonics公司TeraFlash系統(tǒng)是一種基于光纖結(jié)構(gòu)的太赫茲TDS模塊，將光學(xué)和電子元件高度集成一體。整個(gè)系統(tǒng)包括一個(gè)飛秒級(jí)脈沖激光器、光學(xué)延遲元件以及數(shù)據(jù)采集和控制單元，全部集成在一個(gè)19英寸大小的機(jī)架安裝盒中。唯一的外部元件是兩個(gè)光纖耦合光導(dǎo)（PC）天線，用于產(chǎn)生和探測(cè)由TDS模塊光激發(fā)產(chǎn)生的太赫茲輻射。

商業(yè)整合

通過光纖/電纜連接外部太赫茲天線元件和TDS系統(tǒng)，得益于其較小的空間尺寸和免受射頻（RF）信號(hào)干擾能力，將把太赫茲?rùn)z測(cè)引入新的應(yīng)用環(huán)境。

我們的太赫茲系統(tǒng)工作波長(zhǎng)為1550nm，將Toptica的TDS模塊與PC近場(chǎng)探針結(jié)合在一起，可使光纖中的信號(hào)色散最小化，并將光學(xué)采樣脈沖的持續(xù)時(shí)間保持在100fs以下。所得到的太赫茲系統(tǒng)只需20ms就可記錄完整的太赫茲時(shí)域瞬態(tài)，這對(duì)于許多需要連續(xù)太赫茲測(cè)量的應(yīng)用是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)，諸如在線質(zhì)量檢測(cè)、無損檢測(cè)和基于光柵掃描的太赫茲（近場(chǎng)）成像。

與標(biāo)準(zhǔn)配置的自由空間傳輸測(cè)量相反（其中發(fā)射器天線產(chǎn)生的太赫茲輻射被準(zhǔn)直發(fā)射并聚焦到遠(yuǎn)場(chǎng)探測(cè)器天線上），我們基于光纖結(jié)構(gòu)的太赫茲TDS系統(tǒng)將TeraFlash源模塊與Protemics TeraCube近場(chǎng)掃描系統(tǒng)整合在一起，其中后者包括一個(gè)用于太赫茲探測(cè)和成像的PC近場(chǎng)探針（Protemics TeraSpike TD-800-X-HR-WT）（見圖1）。

圖1 光學(xué)時(shí)域光譜單元（a）產(chǎn)生超快泵浦/探測(cè)信號(hào)，而近場(chǎng)掃描單元（b）包括太赫茲發(fā)射器和近場(chǎng)探測(cè)器元件，以及用于高分辨率測(cè)繪的平移臺(tái)；被測(cè)試的樣品或器件將加載到近場(chǎng)掃描單元中。

計(jì)算機(jī)單元控制TDS模塊以及近場(chǎng)成像系統(tǒng)。在測(cè)量過程中，光柵掃描系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制單元將樣本的當(dāng)前位置信息連續(xù)傳送給數(shù)據(jù)采集單元，將其與每個(gè)位置記錄的太赫茲數(shù)據(jù)結(jié)合。具有高采樣率的TDS模塊可以在連續(xù)運(yùn)動(dòng)下（無停止和中斷）進(jìn)行表面掃描，實(shí)現(xiàn)完整的太赫茲瞬態(tài)探測(cè)。

PC近場(chǎng)探針由一個(gè)1μm厚的低溫生長(zhǎng)而成砷化鎵（GaAs）懸臂組成，該懸臂具有一對(duì)錐形電極，在探針尖端形成PC開關(guān)。它可探測(cè)靠近樣品表面的太赫茲透射場(chǎng)。與近場(chǎng)電光晶體探針相比，它具有非破壞性和高靈敏度的特點(diǎn)。

散射型探針只能探測(cè)樣品垂直方向的z場(chǎng)矢量，而孔徑型探針只能探測(cè)水平方向的（x，y）場(chǎng)矢量。相比之下，我們的PC近場(chǎng)探測(cè)器可對(duì)x、y或z軸方向的場(chǎng)矢量分量選擇性敏感。

科學(xué)應(yīng)用

當(dāng)懸停在被測(cè)樣品表面幾微米處進(jìn)行測(cè)試時(shí)，憑借3~10μm的最大空間分辨率， Protemics太赫茲成像儀在工業(yè)和科學(xué)領(lǐng)域有了新的應(yīng)用可能。

例如，在科學(xué)領(lǐng)域，荷蘭基礎(chǔ)能源研究所（DIFFER）的研究人員發(fā)現(xiàn)，超材料的共振頻率在遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量的數(shù)值與近場(chǎng)的測(cè)量結(jié)果相差很大。在他們的研究中表明，在1μm近距離檢測(cè)的頻率值為0.62THz，而在遠(yuǎn)場(chǎng)距離（約24cm）則變?yōu)?.85THz。