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太赫兹时域光谱仪概述及选型要点

2018.5.24

日本Advantest公司的太赫兹时域光谱仪(简称THz-TDS)是采集与分析太赫兹波段光谱效率最高的设备，其数据分析处理方式与傅里叶变化红外光谱仪（FT-IR）是一致的，同样是利用FFT快速傅里叶变换方法将时间域的信息转化为频率域（也可以讲是光谱域)的信息。我们可以把太赫兹时域光谱仪看做一个专门优化在太赫兹频谱段的傅里叶变换超远红外光谱仪。实际上，傅里叶变换红外光谱仪早就已经发展出可以延展覆盖至太赫兹频谱段的技术，太赫兹时域光谱仪以其在太赫兹频段高灵敏度，高速度，有特殊的功能拓展的特点获得了技术上的优势。

日本Advantest公司太赫兹时域光谱仪特点及选型要点

1.THz-TDS优点是太赫兹频谱段信噪比高，动态范围大；发展趋势是涵盖更宽频谱段及更宽的高动态范围频谱段。

选型要点：观察厂家提供的空样品动态范围曲线（即不装载样品时设备采集的太赫兹时域光谱）：

首先曲线涵盖频谱范围越宽越好；对于特种功能材料，生物样本，氧化物，石墨烯，树脂，水性材料等，越来越多的发现在>3THz的高频段存在特征谱峰，方便有效的测试太赫兹全频段是今后设备发展的一个方向。
其次，对于装载实际样品采谱时，样品本身对于太赫兹辐射有不同程度的衰减，需要预留足够的动态范围区间才可以获得有效的频谱。一般建议至少预留30dB的动态范围，这样就引入了推荐使用频谱区的概念；一般而言，厂家是不标注此指标的，需要用户自己考量。
再次观察峰值动态范围，越高越好，一般厂家均可做到>60dB,甚至>70dB;但是达到此指标各个厂家的采谱时间及积分平均次数很可能是不同的，所以峰值动态范围一般建议仅供参考，详细比较时需要问清详细测试条件

图1.氨基酸的太赫兹特征谱可见生物样本在>3THz的高频段有丰富的吸收峰

标称频谱区，实用频谱区与最优频谱区的概念：
l 标称频谱区是设备在不装载样品时采集太赫兹时域光谱，以信噪比为1时定义设备最宽频谱范围，但是只要加载样品则增加衰减减小动态范围，而且信噪比为1远非使用信噪比，所以并非实际可使用的频谱范围
l 实用频谱区在最弱频点也预留了20-30dB动态范围，一般情况下，控制好干燥环境，适当加大积分平均时间则可获得信噪比较为满意的频谱
l 最优频谱区是最弱频点也预留了40-50dB动态范围，用户可以用很少的积分平均时间就可以获得满意的频谱，适合于检测快速变化的现象或者是在较短时间内完成太赫兹时域光谱成像。

我们以Advantest公司的太赫兹时域光谱仪为例;

图2.Advantest的三款太赫兹发射源实测动态范围

太赫兹发射器	SL型光导天线	SP型光导天线	SU型铌酸锂发射器
标称频谱区S/N =1	0.03-3THz	0.1-5THz	0.5-7TTHz
实用频谱区>-40dB	0.03-2THz	0.1-4THz	0.5-6THz
最优频谱区>-20dB	0.03-1THz	0.1-2.5THz	0.5-4.5THz
峰值动态范围	>70dB	>70dB	>70dB

2.THz-TDS的采谱速度快：采谱速度快带来的第一个直接的好处是可以在有限的时间内积分平均更多次数，从而获得更高的信噪比；第二个直接的好处是采谱速度越快，做太赫兹时域光谱成像（即对平面上每一点均采集完整太赫兹频谱）则越节省时间。从太赫兹时域光谱仪的发展沿革来看，从最初的实验室阶段数分钟采集一个频谱，到达商品化阶段数秒钟一个频谱（此时已经和FT-IR有可比性，但做太赫兹时域光谱成像仍耗时过长），再到毫秒量级采集一个频谱（此时已经相当适合做太赫兹时域光谱成像）；今后的发展方向是更快的采谱速度或同样采谱速度下更高的频谱分辨率。

选型要点：首先，越高的采谱速度一般会意味着越低的频谱分辨率，所以在考察时需要同时考虑此采谱速度下的频谱分辨率是否足够；其次厂家最好能提供可软件切换的采谱速度，这样实验者可以权衡选择不同的速度/分辨率组合。

我们以日本Advantest公司的太赫兹时域光谱仪为例;

型号	TAS7500TS			TAS7400TS
采谱速度	16ms	8ms	1ms	200ms
频谱分辨率	3.8GHz	7.6GHz	61GHz	1.9GHz	7.6GHz
可切换性	软件切换			软件切换

在太赫兹时域光谱测试时，<5GHz的频谱分辨率一般已经认为是高分辨率测试，10-20GHz频谱分辨率被认为是常规分辨率，所以从应用上看，TAS7500TS兼顾了高中低频谱分辨率及中速，快速，超快速采谱速度，是用户兼顾太赫兹时域光谱分析及太赫兹时域光谱成像的合适设备。

3．TDS-THz信号穿透性好：比起FT-IR，THz-TDS的太赫兹辐射波波长更长，其穿透性要好很多，这样可以带来很多有意思的应用，比如无损探伤，探测包装物内的危险品检测，文物内部检测等。

选型要点：太赫兹时域光谱仪的无损检测应用是采用太赫兹时域光谱成像法，最大的优点是可以在采集设备涵盖的整个太赫兹频段频谱信息及空间信息，从而可以解析出每个频点的太赫兹成像，信息量很大。除了自身完成成像功能，还可以找到特定材料的特定适合频点，为今后商品化的单频太赫兹成像实验或设备提供实验指导。此时需要注意，波长越长（即频率越低）则透过性越好；波长越短（即频率越高）则极限空间分辨率越高；其次尽可能利用太赫兹辐射峰值频段进行分析则信噪比容易得到保证；另外在无损检测时如果某物质或某缺陷在某频率下有强烈吸收或反射则在此频率下的成像信噪比则更好；再次是太赫兹辐射波长接近于毫米，在某些薄片材料界面内反射如果和半波长成整倍数则会产生干涉，在处理时可以回避；总的来讲，TDS-THz的频谱覆盖范围越宽则灵活性及极限空间分辨率可以越高。言及极限空间分辨率，因为市场上所有的步进电机扫描台的位移分辨率均为微米量级，远远高于太赫兹波段的百微米到毫米的物理衍射极限，所以商家标注的扫描台位移分辨率对于太赫兹成像是不具备实际意义的，建议和厂家索要实际太赫兹光谱成像结果予以评估，达到百微米量级均被认为合格。

图3.采集太赫兹时域光谱成像数据后解析出的各频点太赫兹影像
注：如图可见成像质量并非主要取决于极限空间分辨率，而是主要取决于图像信噪比。同等环境，同等样品尽量在最优频谱区解析图像，如果对较高空间分辨率有要求或言之希望得到太赫兹高频段的影像，选用或增加配置Advantest的SU系列切伦科夫太赫兹宽频源则有必要。
4.TDS-THz信号是皮秒短脉冲辐射：与FT-IR的连续波辐射源不同，TDS-THz的信号是皮秒量级的短脉冲辐射，太赫兹辐射穿透性非常强，穿透进样品达到各个界面，均会产生一个小反射波可以被探测器捕获，从而可以采用飞行时间算法反推回膜厚或距离，利用步进电机一样也可以完成成像功能。这样就可以做另一大类的无损检测应用，比如各种透明，半透明，不透明材料的涂层检测，胶囊厚度检测，特种材料缺陷检测，膜层厚度均一性检测等。

图4.飞行时间法测试厚度

日本Advantest公司太赫兹时域光谱仪典型应用：