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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。激光光譜技術已大量應用于工業產線、半導體等行業，在工業制造以及產品質量控制方面發揮了不可替代的作用，除了基于可見光的面型檢測、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成分識別。受限于光電器件的發展，現有檢測設備多集中可見光及近紅外波段，雖然中遠紅外以及太赫茲波在工業傳感、物質成分識別、無損探傷、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檢測領域的發展。本方案擬為工業檢測領域提供全光譜、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、物質成分等領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際應用中大大受限。從光源的角度來看，雖然量子級聯激光器在中長波紅外取得了成功，但寬調諧能力仍有待提高，太赫茲波段本世紀以來實現了相應的輸出，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現高頻輸出，隨采用放大級飛秒激光器可實現高頻輸出，但成本巨大、系統復雜，難以滿足工業應用需求。檢測方面，碲鎘汞探測器是中長波長期以來最成功的檢測手段，但其響應速度、尤其是與激光源組合實現的系統波長及動態范圍短期內難以進一步提升；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，系統整體測量的動態范圍不高。上述探測均屬于非相干探測手段。

   頻率變換技術可以在相位匹配條件下實現能量在不同波長的轉換，通過采用不同光學晶體以差頻或者參量振蕩的方式將近紅外、可見光的能量高效率的轉變到中遠紅外及太赫茲波段，通過控制角度、溫度等可以靈活的改變輸出波長實現寬范圍波長調諧，上述物理過程可以用于寬頻段、窄線寬、靈活調諧的激光光源研制，基于該方法可實現太赫茲-遠紅外-中紅外的全光譜覆蓋；利用上述物理過程的逆過程可將難于直接探測的中遠紅外及太赫茲信號轉變為易于探測的近紅外及可見光信號，類似于無線電技術里的超外差探測，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，該探測技術響應速度快（可至ns、ps量級）、近紅外及可見光波段器件成熟靈敏度高（可至單光子量級）、重要的是，在頻率變換過程中自帶濾波功能可大幅降低噪聲本底（只有滿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程中實現轉換增益（及轉換后的近紅外及可見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一步提高增益，相對于電信號放大而言，該類光放大會提升測量的信噪比，進一步提高探測靈敏度，并且該類探測可在室溫工作。

基于頻率變換技術的太赫茲源頭及探測設備

3    代表性及推廣價值

   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態范圍。遼寧省太赫茲成像感知實驗室經過多年的努力，實現了0.1-100THz的全光譜覆蓋，開發的單色太赫茲光源最高凈輸出功率達5MW，處于該類技術的世界領先水平；國際首次實現了基于BGSe的高靈敏紅外探測，相關工作為央視、新華社、人民日報等主流媒體報道，目前已實現太赫茲百光子級ns脈沖探測、中長波紅外波段10光子級探測，對脈沖信號探測能力遠優于現有的高萊探測器、4K輻射計、碲鎘汞探測器。該技術有效彌補了紅外及探測檢測波段的短板，為工業檢測提供了新的技術手段，相對于現有檢測技術為物質成分識別、載流子濃度測量、無損探傷提供了廣闊的空間，可望解決在傳統檢測技術中難以解決的問題，其高速、室溫工作的特性為在線監測提供了新的可能性。