1    方案背景与目标

   检测提供基本的测量数据，是信息生成的基础，更是智能决策的先决条件。激光光谱技术已大量应用于工业产线、半导体等行业，在工业制造以及产品质量控制方面发挥了不可替代的作用，除了基于可见光的面型检测、晶圆制造中的粉尘/颗粒检测，更有基于光谱分析的元素及化学成分识别。受限于光电器件的发展，现有检测设备多集中可见光及近红外波段，虽然中远红外以及太赫兹波在工业传感、物质成分识别、无损探伤、半导体载流子浓度测量等方面展现出了巨大的应用潜力，但目前光源调谐能力及探测灵敏度不足，大大制约了其在工业检测领域的发展。本方案拟为工业检测领域提供全光谱、灵活调谐、高灵敏的检测手段，释放该波段光谱的潜力，在传感、探伤、物质成分等领域充分释放该波段电磁波的潜力走向应用。

2    方案详细介绍

   受限于光源及探测灵敏度，中远红外及太赫兹系统在实际应用中大大受限。从光源的角度来看，虽然量子级联激光器在中长波红外取得了成功，但宽调谐能力仍有待提高，太赫兹波段本世纪以来实现了相应的输出，但输出频率受限并且需采用制冷操作；太赫兹时域光谱系统取得了巨大的成功，但在频谱覆盖方面仍然难以实现高频输出，随采用放大级飞秒激光器可实现高频输出，但成本巨大、系统复杂，难以满足工业应用需求。检测方面，碲镉汞探测器是中长波长期以来最成功的检测手段，但其响应速度、尤其是与激光源组合实现的系统波长及动态范围短期内难以进一步提升；高莱探测器虽在太赫兹波段应用广泛，但探测灵敏度低、响应速度慢；液He辐射计虽通过致冷提高了探测灵敏度，但现有太赫兹源功率首先，系统整体测量的动态范围不高。上述探测均属于非相干探测手段。

   频率变换技术可以在相位匹配条件下实现能量在不同波长的转换，通过采用不同光学晶体以差频或者参量振荡的方式将近红外、可见光的能量高效率的转变到中远红外及太赫兹波段，通过控制角度、温度等可以灵活的改变输出波长实现宽范围波长调谐，上述物理过程可以用于宽频段、窄线宽、灵活调谐的激光光源研制，基于该方法可实现太赫兹-远红外-中红外的全光谱覆盖；利用上述物理过程的逆过程可将难于直接探测的中远红外及太赫兹信号转变为易于探测的近红外及可见光信号，类似于无线电技术里的超外差探测，只是这里将低频信号转换到了更高频的信号，相对于传统的直接探测的方式，该探测技术响应速度快（可至ns、ps量级）、近红外及可见光波段器件成熟灵敏度高（可至单光子量级）、重要的是，在频率变换过程中自带滤波功能可大幅降低噪声本底（只有满足相位匹配条件的信号才被转化，并且有大量的偏振、滤波器件可以使用）、并且可在频率变换过程中实现转换增益（及转换后的近红外及可见光信号较带探测的太赫兹及红外信号功率更高），采用光参量放大的方式可进一步提高增益，相对于电信号放大而言，该类光放大会提升测量的信噪比，进一步提高探测灵敏度，并且该类探测可在室温工作。

基于频率变换技术的太赫兹源头及探测设备

3    代表性及推广价值

   测量能力受限于能感知的最小的信噪比，结合光源功率决定了系统的动态范围。辽宁省太赫兹成像感知实验室经过多年的努力，实现了0.1-100THz的全光谱覆盖，开发的单色太赫兹光源最高净输出功率达5MW，处于该类技术的世界领先水平；国际首次实现了基于BGSe的高灵敏红外探测，相关工作为央视、新华社、人民日报等主流媒体报道，目前已实现太赫兹百光子级ns脉冲探测、中长波红外波段10光子级探测，对脉冲信号探测能力远优于现有的高莱探测器、4K辐射计、碲镉汞探测器。该技术有效弥补了红外及探测检测波段的短板，为工业检测提供了新的技术手段，相对于现有检测技术为物质成分识别、载流子浓度测量、无损探伤提供了广阔的空间，可望解决在传统检测技术中难以解决的问题，其高速、室温工作的特性为在线监测提供了新的可能性。