1    方案背景與目標

   檢測提供基本的測量數據，是信息生成的基礎，更是智能決策的先決條件。激光光譜技術(shù)已大量應用于工業(yè)產(chǎn)線(xiàn)、半導體等行業(yè)，在工業(yè)制造以及產(chǎn)品質(zhì)量控制方面發(fā)揮了不可替代的作用，除了基于可見(jiàn)光的面型檢測、晶圓制造中的粉塵/顆粒檢測，更有基于光譜分析的元素及化學(xué)成分識別。受限于光電器件的發(fā)展，現有檢測設備多集中可見(jiàn)光及近紅外波段，雖然中遠紅外以及太赫茲波在工業(yè)傳感、物質(zhì)成分識別、無(wú)損探傷、半導體載流子濃度測量等方面展現出了巨大的應用潛力，但目前光源調諧能力及探測靈敏度不足，大大制約了其在工業(yè)檢測領(lǐng)域的發(fā)展。本方案擬為工業(yè)檢測領(lǐng)域提供全光譜、靈活調諧、高靈敏的檢測手段，釋放該波段光譜的潛力，在傳感、探傷、物質(zhì)成分等領(lǐng)域充分釋放該波段電磁波的潛力走向應用。

2    方案詳細介紹

   受限于光源及探測靈敏度，中遠紅外及太赫茲系統在實(shí)際應用中大大受限。從光源的角度來(lái)看，雖然量子級聯(lián)激光器在中長(cháng)波紅外取得了成功，但寬調諧能力仍有待提高，太赫茲波段本世紀以來(lái)實(shí)現了相應的輸出，但輸出頻率受限并且需采用制冷操作；太赫茲時(shí)域光譜系統取得了巨大的成功，但在頻譜覆蓋方面仍然難以實(shí)現高頻輸出，隨采用放大級飛秒激光器可實(shí)現高頻輸出，但成本巨大、系統復雜，難以滿(mǎn)足工業(yè)應用需求。檢測方面，碲鎘汞探測器是中長(cháng)波長(cháng)期以來(lái)最成功的檢測手段，但其響應速度、尤其是與激光源組合實(shí)現的系統波長(cháng)及動(dòng)態(tài)范圍短期內難以進(jìn)一步提升；高萊探測器雖在太赫茲波段應用廣泛，但探測靈敏度低、響應速度慢；液He輻射計雖通過(guò)致冷提高了探測靈敏度，但現有太赫茲源功率首先，系統整體測量的動(dòng)態(tài)范圍不高。上述探測均屬于非相干探測手段。

   頻率變換技術(shù)可以在相位匹配條件下實(shí)現能量在不同波長(cháng)的轉換，通過(guò)采用不同光學(xué)晶體以差頻或者參量振蕩的方式將近紅外、可見(jiàn)光的能量高效率的轉變到中遠紅外及太赫茲波段，通過(guò)控制角度、溫度等可以靈活的改變輸出波長(cháng)實(shí)現寬范圍波長(cháng)調諧，上述物理過(guò)程可以用于寬頻段、窄線(xiàn)寬、靈活調諧的激光光源研制，基于該方法可實(shí)現太赫茲-遠紅外-中紅外的全光譜覆蓋；利用上述物理過(guò)程的逆過(guò)程可將難于直接探測的中遠紅外及太赫茲信號轉變?yōu)橐子谔綔y的近紅外及可見(jiàn)光信號，類(lèi)似于無(wú)線(xiàn)電技術(shù)里的超外差探測，只是這里將低頻信號轉換到了更高頻的信號，相對于傳統的直接探測的方式，該探測技術(shù)響應速度快（可至ns、ps量級）、近紅外及可見(jiàn)光波段器件成熟靈敏度高（可至單光子量級）、重要的是，在頻率變換過(guò)程中自帶濾波功能可大幅降低噪聲本底（只有滿(mǎn)足相位匹配條件的信號才被轉化，并且有大量的偏振、濾波器件可以使用）、并且可在頻率變換過(guò)程中實(shí)現轉換增益（及轉換后的近紅外及可見(jiàn)光信號較帶探測的太赫茲及紅外信號功率更高），采用光參量放大的方式可進(jìn)一步提高增益，相對于電信號放大而言，該類(lèi)光放大會(huì )提升測量的信噪比，進(jìn)一步提高探測靈敏度，并且該類(lèi)探測可在室溫工作。

基于頻率變換技術(shù)的太赫茲源頭及探測設備

3    代表性及推廣價(jià)值

   測量能力受限于能感知的最小的信噪比，結合光源功率決定了系統的動(dòng)態(tài)范圍。遼寧省太赫茲成像感知實(shí)驗室經(jīng)過(guò)多年的努力，實(shí)現了0.1-100THz的全光譜覆蓋，開(kāi)發(fā)的單色太赫茲光源最高凈輸出功率達5MW，處于該類(lèi)技術(shù)的世界領(lǐng)先水平；國際首次實(shí)現了基于BGSe的高靈敏紅外探測，相關(guān)工作為央視、新華社、人民日報等主流媒體報道，目前已實(shí)現太赫茲百光子級ns脈沖探測、中長(cháng)波紅外波段10光子級探測，對脈沖信號探測能力遠優(yōu)于現有的高萊探測器、4K輻射計、碲鎘汞探測器。該技術(shù)有效彌補了紅外及探測檢測波段的短板，為工業(yè)檢測提供了新的技術(shù)手段，相對于現有檢測技術(shù)為物質(zhì)成分識別、載流子濃度測量、無(wú)損探傷提供了廣闊的空間，可望解決在傳統檢測技術(shù)中難以解決的問(wèn)題，其高速、室溫工作的特性為在線(xiàn)監測提供了新的可能性。