来源：生物光学（Biophotonics）；中国太赫兹研发网 余郑璟博士 编译

    凡是谈及到太赫兹光谱该如何拓宽其商用接受度时, 就一定会涉及到成本、型号、功率这些问题，目前的研究正方兴未艾。

    如今，太赫兹光谱的应用可谓令人眼花缭乱，从探测非法毒品、假药到检测植物的水含量，甚至到鉴别危险气体，太赫兹光谱技术都大有作为。如此之神通广大的根本原因还是要归根于太赫兹辐射本身的特性。太赫兹频率处于远红外和微波之间，具有非常特别的成像能力，在光谱非损伤性检测领域具有举足轻重的价值。

    以探测非法毒品为例，就非常适合用时域光谱系统(TDS)来检测。医药物质——总的来说，大部分都是非极性有机固体——在太赫兹频率中显示出广泛的吸收峰值。这些化学指纹在时域光谱系统中可以很清晰地呈现。

    而其它技术，比如激光拉曼光谱（Raman）和红外光谱(IR Spectroscopy)也可以鉴定出大部分类似的物质，但是，这些技术都需要光直接照射被检测样品才能实现。

    “相对而言，在太赫兹频率段检测的一个关键优势就在于太赫兹光波可以直接穿透被检测物的外包材质，如纸张、板材、塑料。这样, 就算是隔着外包装，比如检查包裹、信封等，也可以直接对内部的化学物质或非法毒品进行检测。”德国Toptica Photonics AG公司的产品经理Anselm Deninger博士表示，“时域光谱技术的主要优势就在于带宽广泛，数据获取时间相对较短：一般根据平均水平的数量，在几亚秒到几十秒内就可以获取全方位光谱信息。”

Toptica’s CW太赫兹光谱仪表现: 在500 GHz，其动态范围是80 dB，在1.0 THz，仍然是>65 dB 。凹陷处是水蒸气吸收线。
数据由© Toptica Photonics AG提供。

    同样，太赫兹频率段检测对于药品的分析也不仅仅限于非法毒品的检验，对于同质多象型式药品同样适合。不同形态药物，即使化合物构成相同，其药品属性也会展示出不同的特点，而这一特性对于药品制造商在生产过程中如何去增减、拿捏某些药物成分至关重要。才外，在太赫兹范围内，同一分子的不同构造或不同结晶体，也会有不同的光学属性，这在太赫兹光谱探测中，就会有十分理想的差异。

水：朋友还是敌人？

    起初，水仿佛是太赫兹辐射的敌人，因为在这些频段中，水具有很强的吸收性。基本上在整个太赫兹频段，水蒸汽具有明显吸收线，而液态水不但没有显示任何峰值，而且还会引起宽波段衰减。

    但是，从另外一个角度来说，当我们检测的样本含水量比较丰富的时候，水就摇身一变，从敌人变成了朋友。利用水吸收性强的特性，在成像过程中水就如同造影剂一般，样本中含水成分内的细微差别，在太赫兹频率段检测中就可以完全甄别。

太赫兹优化灌溉

    德国马尔堡大学（University of Marburg）Martin Koch教授负责的研究团队正将这一构想付诸于实际行动：他们通过利用TDS系统来测量植物中的水分含量，从而可以实现灌溉的最优化。

新鲜植物叶片采摘24小时后的太赫兹水分传输图像：干燥的叶片显示其内部含水量很低。（Rafal Wilk博士有关叶片成像的论文请参见ISBN-13: 978-3867273152; Wilk博士，在其导师Martin Koch的指导下，完成了博士论文。目前是门罗系统(Menlo Systems)太赫兹事务的负责人。
数据由门罗系统提供

    对于植物学家来说，营养组织中水分的含量举足轻重，这也是一般农作物生长是否茁壮与健康的重要标志。直到现在，计算水分含量参数的方法仍然是将新鲜和干燥植物叶片的重量进行比较，但是这种方法没有办法对植物内部的水分进行实时和长久的监控。

    太赫兹TDS系统则提供了另外一种非接触、非损伤性的可选监控方法。“水对于太赫兹辐射吸收较强的特点从而就转化为一大优势。但凡叶片中出现轻微水含量的变化，太赫兹TDS系统都可以很明显的显现出来。”Koch教授研究组的博士生Ralf Gente 表示，“在今后的试验中，我们将针对类似玉米、小麦、大豆等农作物，重点观察它们在干旱和持续灌溉情况下水分的变化情况。”

穿透黑烟的太赫兹光谱

    黑烟在可见光中呈不透明状——因为太多的散射。而太赫兹光具有更长的波长（大约是1000的系数），因此散射大大减少。这一特性就可以用来检测燃烧后是否产生有毒气体——比如在化工厂里的应用尤其重要。

    “传统技术的缺点，不管是采用化学、光学或者声波传感器，在多种功能的广泛性和适应性方面都有很大的局限。比如化学感应器，需要设计出与被检测气体十分匹配的精密接受器。”研究人员 Deninger解释到，“而且传感器一旦启用，很快就会饱和，因此就必须随时更换。假如想同时检测几种有害气体，就必须同时配备一大串不同的传感器。”

    而另外一方面，一台单独的太赫兹光谱仪，就可以完成同时检测多种不同气体的任务。如果再加上光纤的引导，对太赫兹光进行必要的传输和定向，太赫兹光谱仪甚至还可以做到远程气体检测。

    “我们采用的是CW 太赫兹光源——首要的原因是CW激光线很容易穿过长距离光纤，其次是因为其光谱分辨率很高。”Deninger补充到，“我们的CW 太赫兹系统已经达到了单一兆赫的分辨率，这可以帮助我们对气体进行精确的鉴别。”

下一代CW 太赫兹光谱系统：最前端两个黑色小圆柱部分是光纤耦合太赫兹天线，右边的小盒子是激光头，左边的扁平外壳盒子则包括了电子集成驱动器和数据获取单元。
数据由© Toptica Photonics AG提供

克服挑战

    尽管太赫兹光谱的应用潜在范围十分广阔，但目前还没有实现大规模的市场商业化运作。到底是什么原因没有让如此多功能、非损伤的太赫兹光谱仪取代现有的成像与检测工具，如拉曼光谱仪、远红外光谱仪，X光成像呢？

    有些局限性是因为物理定律本身所决定，比如大气的吸收性——特别是因为水蒸汽——会极大的限制太赫兹辐射在空气中的传播，其传播距离最多仅有几米。

植物叶片在采摘8小时后的太赫兹水分传输成像。深蓝色部分表明高水分含量。
数据由门罗系统提供

    “通常，针对光谱应用的宽带太赫兹操作有多种方法。光电系统的优势是结构紧凑、操作容易。强劲、可靠的飞秒激光保证了脉冲太赫兹的操作，其广泛的光谱范围为精准、及时的测量提供了保证。”门罗系统公司（Menlo Systems GmbH）的国际销售负责人Patrizia Krok博士指出，“如图9 T-Light激光所呈现的一样，激光参数最高的再展性是整个太赫兹TDS系统的重中之重。”

    当然，挑战无处不在。例如，如何在更高功率的情况下设计更紧凑的系统？为了应对挑战，在工程制造方面，在资金保证方面等等都需要更多改进才能提供更好的保证。

    “我们承认，目前的问题就是像是‘先有鸡还是先有蛋’的问题。”Deninger进一步补充，“一个完全完整的CW太赫兹系统价格大约是$50,000 –$ 100,000之间，如果要广泛应用于工业领域，这个成本实在太高。但是，在另一方面，也有人表示，只有销售量上升到一定程度，价格才会回落，系统的设计也会更日趋成熟。

    德国Toptica Photonics AG公司采用的光电太赫兹生成技术，就是利用了砷化镓或基于铟镓砷的天线，将NIR激光转化为太赫兹辐射。Deninger表示，这种技术目前是可行的，但如果要广泛应用在工业领域，人们肯定期望体积更小、重量更轻、操控性更好的产品。“我想，如果要在工业领域内广泛使用，检测系统一定要更紧凑，太赫兹功率要更大、动态范围要更广、价格要更低，操作性要更简单，最好就是一键启动，”Deninger预计，“所以我们下一步的计划就是要缩小CW太赫兹系统的尺寸，同时还要提高它的效率。”

    另外的一项挑战是填补如何充分利用4赫兹（时域光谱）到12赫兹（傅里叶变换红外光谱，FTIR）频段这一空白。英国特丁顿国家物理实验室（National Physical Laboratory）的Mira Naftaly博士和他的同事们，目前正研发一种在6赫兹到12赫兹范围内太赫兹光参量振荡器。这种振荡器可以用来检测工业实验室及研发过程中所涉及的广泛材质与化学材料，它甚至可以和拉曼光谱与红外光谱相媲美。

    尽管困难重重，但大多数业内人士表示，在未来5到10年期间，这一领域将有更精彩表现。

共振场增强因子(a)与 (b)图中太赫兹谐振器的太赫兹透射光谱(c)。利用超材料中微米大小的差距，在比波长更段的区域内，从空间上锁定太赫兹辐射，以提高生物感应运用的反差性。
数据来源湖畔低温电子学公司（Lake Shore Cryotronics）

    “拉曼光谱的发展之路对于太赫兹光谱未来的发展也提供了很好的借鉴作用。”来自美国俄亥俄州湖畔低温电子学公司（Lake Shore Cryotronics）的David Daughton博士预言。湖畔低温电子学公司是一家专门从事有关传感、测量与控制研发的公司，“拉曼技术已经有近100年的历史了。几十年前，装备精良的激光实验室中拉曼光谱的使用已呈孤立局面，大约在10年前，因为节能高效的二极管激光器以及滤波技术的出现，使得转钥系统得以广泛使用。

太赫兹的下一步？

    随着大功率太赫兹源的出现，曾经那些部分可吸收太赫兹辐射的材料，以及厚度较大的物质现在都可以进行太赫兹检测。例如，门罗系统的光纤耦合太赫兹天线Tera15-FC，已经为他们的系统提供大功率太赫兹源。英国一家太赫兹公司TeraView Ltd., 声称它们已经研发了一系列高功率的太赫兹源，高效节能、室温操作。估计这些系统的全面商业化和市场化将在今后两到三年之内。

    Daughto相信，在生物和医药领域的应用，发展的重点在于金属与半导体结构，因为它们可将光谱缩减到生物分子级长度。比如，要获取细菌探测足够的灵敏度，可采用半导体天线，一则可以耦合自由空间太赫兹，二则可以用来引导辐射至10-µm充满样本的缝隙。

    此外，即将来临的是太赫兹准时域系统，它采用的是相对更便宜的多模激光二极管来生成太赫兹辐射，而并非是飞秒激光。这一技术对开拓应用范围、降低成本、缩小体积、节能减排都有很值得期待的前景。

    作者：Marie Freebody, 特约编辑, 生物光学