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光学太赫兹近场检测技术

近来，近场太赫兹成像检测技术是科研的一个热点。目前，常见的近场太赫兹成像检测技术，大都是以各种近场探针为接收模块的，主要代表是德国Protemics和Neaspec公司开发的微米和纳米级分辨检测系统。这一些产品在国内也广受用户的好评。除此以外，一些科研人员另辟蹊径，采用了其它方式实现对待测物的近场成像检测，主要方式如下介绍一二。

基于硅光调制的快速太赫兹近场成像

参考文献：Compressed sensing withnear-field THz radiation

https://doi.org/10.1364/OPTICA.4.000989（2017.08）

来自英国埃克塞特大学（University of Exeter）的科研人员，构建了一套高速近场成像监测系统，空间分辨率达到了9um ( λ ∕ 45 @0.75 THz ). 据科研人员介绍，该实验主要是基于一套ZnTe晶体电光采样的时域光谱系统。不同的是，系统中采用了高阻硅片作为太赫兹波调制与采样器件。

工作时，激光照射二进制的数字微镜，经透镜照射到硅调制器入射面，形成与之一一对应的图样，待测物紧贴于硅片出光面( 6-μm-thick, 8000 Ω · cm resist ). 数字微镜在控制下有序的通断，入射激光随之在调制器入射面形成通断的光点，该光点激发硅调制器产生载流子。这一激发点对入射的太赫兹波束形成导通，太赫兹波束可以穿过调制器，并照射样品。探测器接收到的信号即为样品在该点的信息。如此，控制数字微镜完成整个入射面的扫描，即可将样品的信息扫描完成。

该扫描方式类似二维扫描时域光谱成像，优势在于其成像分辨率要高得多。主要得益于调制的可见光波长较太赫兹波长短的多。

基于LiNbO3晶片近场实时显微成像技术

参考文献：Real-time terahertz near-field microscope

日本京都大学和日本科学院合作搭建了一套基于LiNbO3晶片的近场实时显微成像系统，实际成像空间分辨率~14um, 成像速率35fps; 该系统主题也是基于太赫兹时域光谱系统，区别在于样品的放置和信号的接收。

科研人员采用一片超薄的铌酸锂晶片作太赫兹信号的电光采样器件。待测样品紧贴于晶片的入射面，且晶体厚度非常薄，保留了样品的近场信息。电光采样中，探测光携带的近场信息，被CCD相机接收。

该近场显微成像技术具备成像分辨率高，速度快等特点。从实际测试获取的图像来看。分辨率可达到10um。

以上两种光学太赫兹近场检测技术都能有效提高成像分辨率和成像速度，对太赫兹成像研究的应用具有较大的帮助。但是，仅当前而言，这两种方式也存在晶片较薄、样品难自备的困难，需要更多的技术手段来解决。

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NASA立方星将搭载袖珍型太赫兹接收机

近年五花八门的CubeSat立方星(基本单元10x10x11.35cm)在航天领域掀起了一浪又一浪的创新热潮。手扔卫星、3D打印卫星、创纪录的一箭104星等新闻都和立方星脱不了关系。而立方星比传统载荷还小的尺寸空间却让设计师一时无所适从，小尺寸和低成本量产的载荷是立方星当前面临的一项重大挑战。

目前JPL和亚利桑那大学SESE实验室正在为NASA立方星项目研制袖珍型太赫兹接收机。技术参数如下：

由于采用了JPL最新的3D多层封装工艺，导致整个太赫兹接收机的体积减半同时还能轻松实现量产。

无独有偶大西洋彼岸的ESA也没闲着，正和RAL、利兹大学热火朝天的推进Low-Cost Upper Atmosphere Sounder (LOCUS)计划。目标同样也是要提供紧凑型、低成本的宇航级辐射计以及光谱仪。

不同的是ESA打算另辟蹊径在高频率上获得突破，预知后事如何请听下回分解？

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新材料发现:将THz波转换为可见光

近年来，人们对开发基于太赫兹技术的实用设备的兴趣日益增长。由于波长比红外光更长，所以认为THz光比传统成像系统更安全。例如在机场安全检查站已经被使用，并开始在医疗检查、食品检查和艺术品分析等领域得到更广泛的应用。然而，太赫兹光本身的可视化也非常具有挑战性。

日前，东京理工大学元素战略材料研究中心的Hideo Hosono研究团队成功使用被称为钙铝石（Ca12Al14O33）的晶体，实现将太赫兹辐射可视化，他们设计了一种简单的方法，巧妙地利用了晶体笼状结构内氧离子振动引起的颤动来实现。研究成果已经发表在ACS Nano上。该发现可能将引领THz探测器的发展，目前还没有类似的这种常规探测器。

研究者使用回旋管产生THz光并照射到钙铝石晶体上，导致氧阴离子的振动，并与晶体内的笼子的内壁碰撞，每个笼具有0.4nm的内径和0.7nm的外径。

“网箱内氧离子的颤抖促进了向上的能量转换”，Hosono解释说，“氧离子的强烈而频繁的碰撞诱导电子转移到相邻的空笼子，氧离子的激发是可见光发射的关键。

光谱测量证实，可见光源是由自由移动的氧阴离子的振动引起的。研究人员排除了其他来源的可能性，如黑体辐射和表面极化作为可见光产生的原因。

Hosono说：“我们研究的晶体只是由钙，铝和氧组成，它们都是最丰富元素中的前五位。所以，这是最便宜的材料之一，大约每公斤15美分。”但尽管其便宜，由于晶体的纳米结构，有着许多令人兴奋的属性。经过20多年的研究，该团队已经成功地证明了这种材料对氨合成和超导电性具有优良的催化性能，并以其在铁基超导体方面的开创性工作而闻名。

“目前，我们的材料能够很好地检测出强烈的太赫兹辐射，挑战将在于如何调整灵敏度。”Hosono补充道。该研究团队其他研究成果显示，氧阴离子可以被笼子里的金或氢阴离子取代，通过使用这些不同的阴离子，将来可能开发出发射不同颜色光的探测器。

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太赫兹光谱检测--助推精准农业

精准农业领域，空间分辨的土壤参数信息一直都是最主要的考量对象。这些参数，特别是颗粒大小的分部（质地），通常需要请商业实验室途径来检测，成本高昂。因此，现场评估方式已经成为近端土壤检测学科的研究焦点。太赫兹辐射是现场无损检测有效手段之一。

近日，来自德国莱布尼兹农业工程和生物经济研究所(ATB)的科研人员，构建了一套太赫兹光谱检测系统（258-375GHz），并实际检测和评估了与土壤特性相关的、不同颗粒大小组成部分的光谱传输信息。样品厚度5-17mm,透射太赫兹辐射主要受到矿物颗粒、沙土、黏土等影响。研究表明，太赫兹光谱检测系统能有效提供构成土壤的、大于半波长尺度的质地信息。

太赫兹光谱检测系统主要基于返波管BWO构建。BWO输出辐射耦合到三倍频器，再经喇叭天线和透镜系统入射待测样品DUT,。透射的太赫兹辐射用二次谐波混频器接收（NEP <10^-15）. 该混频器需要另一套BWO和倍频器的同步信号来推动本振输入。该实验装置扫频从258GHz到375GHz, 频率分辨率30MHz.

波导的频率耦合性能的限制，引起了部分光谱区域的强的衰减。两种模式下的检测光谱如下：

- Setup 1: Rx-tube 1 with a second HMWR3.4SHM and ADC-preamp 1

- Setup 2: Rx-tube 2 with a second HMWR2.8SHM and ADC-preamp 2

样品制备：

科研人员定制了高密度聚乙烯HDPE材料的样品架，厚度2mm. HDPE材料在300GHz频点的高透特性使其特别适用于制作一些光学器件。样品架有长方形和楔形几种结构。

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全球首套750GHz太赫兹散射仪正式部署

面对组成单一、表面规则材料，电子学在过去的数十年已经发展了一套行之有效的技术手段进行介电常数的测量，包括探针测试，法布罗腔体测试、椭偏法测试等等。而今天面对的是越来越多的复合材料，材料表面形状也日趋多元化，传统的测量手段开始显得力不从心。

在750GHz散射仪的设计上，欧空局除了采用传统配置KEYSIGHT+VDI实现50-750GHz矢量网络分析功能以外，更为核心的是采用英国TK公司设计的潜望镜式准光设计使得散射仪可以从不同角度不同距离高精度的测量样品的反射及散射系数。最后根据测试数据、角度、距离、校准值等多项指标进行计算最终得出样品的介电常数，从而给毫米波太赫兹器件提供精确的量化指标。

目前一方面新材料，新技术风起云涌，目前业界对新材料特性认识还非常有限；另一方面从微波迈进到毫米波甚至是太赫兹的过程中，也需要对原有材料在高频率的特性进行更为细致的研究。

电子学领域基于肖特基二极管搭建的上下变频链路已经将测试频率提高到1.5THz；光子学领域也进展神速，最新的太赫兹时域光谱仪已经将覆盖频率扩展到0.1-5THz同时动态范围和分辨率近年也得到很大的提升，微观层面已经进军到纳米级光谱分析。大有一举颠覆传统电子学分析手段的架势。

地域上不但美国和欧洲的研究如火如荼，国内如电子科技大学，东南大学，中电41所等科研院所也开展大量工作并取得了不俗的成果。

太赫兹医学成像为角膜疾病提供早期检测

太赫兹（THz）成像是一种新兴的非破坏性扫描和成像技术，可应用与制药和生物医学以及安全和航空航天工业等领域。正在进行的太赫兹医学成像研究表明，太赫兹照明可能是描绘生理组织中水的分布和运动的理想选择，而角膜组织中的水份含量通常比人体内的其他组织少得多，因此该技术对角膜组织内的水含量的量化可能特别有用。加州大学洛杉矶分校(UCLA) 的研究人员和临床医生正在研究这种可能性，尝试开发一种能够提供角膜水分准确测量的成像工具，以帮助检测和研究角膜疾病，如Fuchs内皮细胞营养不良、人工晶状体植入并发症和角膜移植排斥等症状。

影像学角膜疾病：Fuchs的内皮细胞营养不良等角膜疾病影响了全世界相当多的人，特别是在老年人群中。它们经常导致慢性视力障碍，通常需要手术干预。这些疾病背后的关键生理问题之一被认为是角膜组织水化的增加，被称为角膜组织水含量（CTWC）。事实上，许多角膜疾病的特点是CTWC异常高，导致角膜肿胀，随后视力模糊。这使得CTWC成为医生诊断角膜疾病的重要指标：不仅可以观察到疾病，还可以预测潜在的组织损伤。到目前为止，还没有有效的非侵入性的方法来原位准确地直接测量CTWC。

来自UCLA的ZacharyTaylor博士和Warren Grundfest博士，他们正致力于开发一种基于太赫兹照明的非侵入性成像工具，该工具可以帮助测量角膜组织的水化水平。目前的CTWC测量方法基于超声波或光学的厚度测量，然而，通过厚度测量来映射CTWC还不够精确。Taylor博士和Grundfest博士新开发的成像系统可以从病人身上获取CTWC的时间-空间变化图。该方法是水含量的直接测量，因此避免了现有技术使用的水含量映射的不准确性。

太赫兹医学成像特别适用于测量角膜中的水含量，因为其组织结构和几何形状通常比身体中的任何其他组织（例如，肺，肝脏等）小得多。此外，这种变化通常小于目标THz照明的波长，使研究人员可以将角膜作为一个完美的坐在房水的顶部的球形水化膜来研究。

Taylor博士和Grundfest博士广泛研究了角膜及其电磁特性，并第一次提出了CTWC梯度模型。由此，他们设计了从THz反射率变化中识别CTWC的方法，最初在活兔的角膜上测试了他们的成像工具，使用定制的太赫兹成像系统和毫米波反射计测量他们的CTWC，并探索成像数据和中央角膜厚度（CCT）测量之间的相关性。最终发表了第一个非接触太赫兹人眼角膜的图像，同时他们的两项研究成果获得了2015年太赫兹最佳论文奖。

如果对CTWC的准确成像和测量方法进一步完善，泰勒博士和Grundfest博士的成像工具可能将真正改变角膜疾病的诊断和研究方式。未来，该团队主要关注三大重点。首先是光学重新设计，以实现快速扫描。第二是采用相敏源探测器技术，以实现幅度和相位的快速相干探测。第三是人体试验，以了解THz在眼科诊断过程中操作的相关制约因素。在成功完成这些工程和评估任务后，将计划对接受角膜移植手术的患者进行大规模的临床试验。从长远来看，该团队将探讨在创伤性脑损伤中的应用，并且正在评估颅内压升高与CTWC联系起来的生理机制。

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测试报告_低成本太赫兹相机

测试条件

时间：2017.11.09

地点：首都师范大学

光源：甲醇气体激光器

功率：<20mW

频率：2.5THz

相机：低成本非晶硅太赫兹实时相机 -- 阵列640×480, 像元17um

美克锐与首师大联合开展太赫兹成像演示活动，并邀请了十多位专家学着及英国厂家莅临指导交流。

成像测试效果优异，空间分辨率达到100um.

相机：低成本非晶硅太赫兹实时相机
（阵列640×480, 像元17um）

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美克锐科技成为风云三号卫星毫米波核心器件供应商

继风云四号卫星后，美克锐科技再次在宇航级毫米波器件获得突破。经过近一年的技术沟通协调后，美克锐科技已经和航天某所签署合同将向风云三号卫星提供毫米波核心器件同时将安排在英国完成所有的宇航级测试，包括电性能及相关热力学测试。最后交付产品将满足直接总装的要求。

和风云四号相同英国THOMAS KEATING公司（简称TK公司）解决方案成为最终选择。英国THOMAS KEATING公司是全球毫米波和太赫兹准光领域的领导者，早在2009年就向国际空间站的JEM/SMILES项目中提供过类似产品。美国和欧洲下一代气象卫星JPSS ATMS(2011年)和MetOp-SG MWS/ICE（2020年）也无一例外采用了TK公司产品以覆盖从毫米波到太赫兹的完整工作频段。

美克锐科技长期致力于促进中国和欧洲在毫米波和太赫兹领域的合作。不但将欧洲在宇航、测试以及材料领域的最尖端解决方案引入中国，同时也将国内最新的产品科研成果介绍给欧洲同行。

可以预见的未来这座专业桥梁将会延伸的更远更长。

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成像&识别太赫兹安检系统进入原型机研发阶段

近日，美克锐科技向广州地铁成功交付一套太赫兹安检系统。该系统包括两部分：太赫兹成像系统和TERA ASOPS全光纤太赫兹时域光谱系统。其中太赫兹成像系统用于对可疑物（如刀具、爆炸物、液体等）实时成像，TERA ASOPS太赫兹时域光谱系统对可疑物快速扫谱识别，判断可疑物类型，无需被测人员配合。验收现场针对TERA ASOPS进行>3米超远距离透射/反射测试，获得>3THz的频谱宽度，结果超出预期。该系统将用于开发可快速识别可疑物的太赫兹安检系统的原型机，有望后期量产推广。

TERA ASOPS基于光学异步采样系统（ASOPS）的原理，利用两台激光器重复频率的差异，实现时间延迟，是区别于传统机械延迟的太赫兹时域光谱系统。

TERA ASOPS系统优势和特点：

1、全保偏光纤耦合

2、超快扫描（>1000waveforms/s）

3、超宽扫描范围（10ns）

4、超远距离测试（实际测量>3米）

5、目前最高的频谱分辨率

6、交钥匙系统，半开放操作

美克锐科技后续将配合用户进一步搭建调试系统，建立频谱数据库，研究开发适用于地铁安检的快速识别太赫兹安检系统。

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