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用，包括機場安全掃描、工業質量控制、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

如此多的應用，離不開太赫茲成像技術的實現，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，結合圖像處理算法得到能夠反映物體內部缺陷、異物以及各類結構表征的完整圖像，是太赫茲技術應用于無損檢測、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，特別是開發出檢測靈敏度高、響應速度快、可室溫工作、便于集成超大規模陣列（多像元）的探測芯片具有重要科學意義和實際應用價值。

1.微測熱輻射計(microbolometer)太赫茲相機

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

基于光熱效應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構、工藝相兼容等優點。其基本工作原理為入射到微橋結構的太赫茲輻射使得熱敏電阻層溫度產生變化，從而引起熱敏電阻層的阻值發生變化，在外加偏置的作用下產生相應的電學信號輸出，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，微橋結構的設計是影響微測輻射熱計性能的關鍵因素。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，像元數為160×120，像元尺寸為46um×46um，實現了2.52THz連續波透射成像，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構

但由于相比于紅外輻射，太赫茲輻射的能量更低，波長更長，傳統的微橋結構用于太赫茲波段時存在靈敏度不高且分辨率較低的問題。為了提高微橋結構對太赫茲輻射的吸收效率，必須設計新的微橋結構，如將單層結構改為雙層微橋結構或者改變橋腿結構等方案。2008年，日本NEC公司通過在傳統的基于VOx熱敏材料的微橋構頂層增加一層金屬吸收層以提高微橋對太赫茲輻射的吸收率，采用該種結構的微橋結構對太赫茲輻射的探測率相比于傳統結構而言有了一定提高。

圖4 (a)“I型”橋腿； (b)“L型”橋腿；(c)改進結構

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。國外目前已經有行業內知名企業推出了成熟的太赫茲相機產品，國內的市場占比穩居前列。

圖5虹科TE-HV成像系統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也是研究的熱點。國內許多研究機構都致力于太赫茲陣列探測器的國產化研究，比如中科院蘇州納米所實現了晶體管混頻探測器的陣列化、上海微系統與信息技術研究所在量子阱探測器方面也有諸多突破，但目前還未實現完全商業化。

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波的方向或“極化”的信息，這是現有設備無法做到的，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。

新系統使用了量子點，當受到太赫茲波的刺激時，量子點可以發出可見光，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》雜志上發表的一篇論文中描述了該設備。

該團隊生產了兩種可以在室溫下運行的不同設備：一種利用量子點將太赫茲脈沖轉換為可見光的能力，使該設備能夠產生材料圖像;另一個產生顯示太赫茲波偏振狀態的圖像。新的“相機”由幾層組成，采用標準制造技術制成，如用于微芯片的技術。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，使用類似的結構，但具有納米級環形狹縫，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，這個設備正在做的是將微小的光子能量轉化為可見的東西，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的能力。研究人員通過拍攝其設備中使用的一些結構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形狹縫，證明了系統的靈敏度和分辨率。

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備陣列，不容易擴展到實際應用，但基于微電子技術的新光源正在開發中。

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，用于該系統的CMOS相機的廉價性質使其成為“朝著構建實用的太赫茲相機邁出的一大步”。事實上，與現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系統制造，這意味著最終大規模生產設備應該是可能的，而且相對便宜，商業化的潛力促使生產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實時成像系統包括QCL源、光學系統與太赫茲相機，可實現高分辨全場實時成像，可用于無損檢測、安檢等諸多應用。其中高頻段（2~5THz）太赫茲源基于量子級聯激光器原理，具有250um的最優分辨率；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高分辨率優化太赫茲成像鏡頭，工作距離與景深可調，滿足多種應用場景。

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，相應范圍0.1-20THz，陣列從最低的160×120到最高百萬像素。

參考文獻

【1】Alan W M Lee,et al.“Real-time,continuous-wave terahertz imaging by use of a micro-bolometer focal-plane array”[J].Optics Letters,2005,30(19):2563-2565)

【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

【3】Shi, J., Yoo, D., Vidal-Codina, F. et al. A room-temperature polarization-sensitive CMOS terahertz camera based on quantum-dot-enhanced terahertz-to-visible photon upconversion. Nat. Nanotechnol. (2022).

【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