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1    方案背景與目標(biāo)

   檢測提供基本的測量數(shù)據(jù)，是信息生成的基礎(chǔ)，更是智能決策的先決條件。激光光譜技術(shù)已大量應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)線、半導(dǎo)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(xiàn)有檢測設(shè)備多集中可見光及近紅外波段，雖然中遠(yuǎn)紅外以及太赫茲波在工業(yè)傳感、物質(zhì)成分識別、無損探傷、半導(dǎo)體載流子濃度測量等方面展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，但目前光源調(diào)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(diào)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(yīng)用。

2    方案詳細(xì)介紹

   受限于光源及探測靈敏度，中遠(yuǎn)紅外及太赫茲系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中大大受限。從光源的角度來看，雖然量子級聯(lián)激光器在中長波紅外取得了成功，但寬調(diào)諧能力仍有待提高，太赫茲波段本世紀(jì)以來實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)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(tǒng)取得了巨大的成功，但在頻譜覆蓋方面仍然難以實(shí)現(xiàn)高頻輸出，隨采用放大級飛秒激光器可實(shí)現(xiàn)高頻輸出，但成本巨大、系統(tǒng)復(fù)雜，難以滿足工業(yè)應(yīng)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(yīng)速度、尤其是與激光源組合實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)波長及動(dòng)態(tài)范圍短期內(nèi)難以進(jìn)一步提升；高萊探測器雖在太赫茲波段應(yīng)用廣泛，但探測靈敏度低、響應(yīng)速度慢；液He輻射計(jì)雖通過致冷提高了探測靈敏度，但現(xiàn)有太赫茲源功率首先，系統(tǒng)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(xiàn)能量在不同波長的轉(zhuǎn)換，通過采用不同光學(xué)晶體以差頻或者參量振蕩的方式將近紅外、可見光的能量高效率的轉(zhuǎn)變到中遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)寬范圍波長調(diào)諧，上述物理過程可以用于寬頻段、窄線寬、靈活調(diào)諧的激光光源研制，基于該方法可實(shí)現(xiàn)太赫茲-遠(yuǎn)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(yuǎn)紅外及太赫茲信號轉(zhuǎn)變?yōu)橐子谔綔y的近紅外及可見光信號，類似于無線電技術(shù)里的超外差探測，只是這里將低頻信號轉(zhuǎn)換到了更高頻的信號，相對于傳統(tǒng)的直接探測的方式，該探測技術(shù)響應(yīng)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(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換增益（及轉(zhuǎn)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(jìn)一步提高增益，相對于電信號放大而言，該類光放大會(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(shè)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(jié)合光源功率決定了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。遼寧省太赫茲成像感知實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過多年的努力，實(shí)現(xiàn)了0.1-100THz的全光譜覆蓋，開發(fā)的單色太赫茲光源最高凈輸出功率達(dá)5MW，處于該類技術(shù)的世界領(lǐng)先水平；國際首次實(shí)現(xiàn)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(bào)等主流媒體報(bào)道，目前已實(shí)現(xiàn)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(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有的高萊探測器、4K輻射計(jì)、碲鎘汞探測器。該技術(shù)有效彌補(bǔ)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(xiàn)有檢測技術(shù)為物質(zhì)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(tǒng)檢測技術(shù)中難以解決的問題，其高速、室溫工作的特性為在線監(jiān)測提供了新的可能性。