太赫兹时域光谱 (Terahertz Time Domain Spetroscopy,THz-TDS) 技术是太赫兹光谱技术的典型代表，是一种新兴的、非常有效的相干探测技术。与其它光谱技术相比，THz-TDS 具有独特的性质。首先，THz-TDS 光谱测量的频谱区间是太赫兹频段，这是其它光谱技术很难获得的。其次，太赫兹脉冲具有皮秒的脉冲宽度，易于进行时间分辨的光谱测量，用以探测样品的动态性质。
THz-TDS系统在爆炸物探测识别方面有着独特的优势。在实际应用中，爆炸物经常处于某些物质的掩盖之下，从而给爆炸物识别带来困难。太赫兹波具有穿透特性，因此THz-TDS 系统可以根据不同种类的爆炸物独有的太赫兹波段的特征吸收光谱曲线来识别爆炸物的物质成分，从而实现隐蔽爆炸物的探测识别。目前，该技术是国际上zui前沿的爆炸物探测识别技术，广泛应用于军事、反恐和安检等领域，国内外已有多家单位开展了部分爆炸物特征光谱提取实验。本文在组建 THz-TDS 系统的基础上，开展了隐蔽爆炸物识别方法的研究，初步实现了THz-TDS系统在复杂环境下的应用。
THz-TDS系统原理如图1所示 。太赫兹波的产生采用光电导原理，首先采用飞秒激光器产生中心波长为 780nm 的飞秒激光脉冲，飞秒激光脉冲经过分束镜后被分为泵浦脉冲和探测脉冲。一路泵浦激光脉冲经过时间延迟系统，入射到低温砷化镓(GaAs) 材料制作的光电导天线上 产生太赫兹辐射脉冲，太赫兹光束经一对抛物面 镜传输聚焦到待测爆炸物上。太赫兹脉冲穿透障 碍物罩并透过爆炸物后，携带爆炸物太赫兹光谱 信息的光束，经过第二对抛物面镜聚焦到电光采样探测系统的碲化锌(ZnTe) 晶体上，被转换为电信号。另一束激光探测脉冲脉宽为飞秒量级，入射到 ZnTe 晶体上。激光探测脉冲脉宽远远小于太赫兹脉冲的皮秒量级脉宽，在与太赫兹脉冲同 时入射到 ZnTe 探测晶体上时，在晶体内太赫兹脉冲产生的电场会改变激光探测脉冲的偏振态，该偏振态变化被电光采样系统探测到，信号 由锁 相放大器提高信噪比后输入计算机，再经过傅里叶变换处理得到载有被测爆炸物信息的太赫兹时 域脉冲的波形、振幅和相位等参数。 时间延迟系 统通过移动平移台来改变太赫兹脉冲的光程，保证与激光脉冲同时入射到 ZnTe 晶体上 。
图 1 太赫兹时域光谱系统原理图
此时，所测到的太赫兹光谱zui准确 。THz-TDS 系统主要包括太赫兹脉冲晶体辐射源、时间延迟太赫兹光谱标定系统、太赫兹成像系统、太赫电光采样探测系统、锁相探测系统、 爆炸物隐蔽探测样品室和太赫兹时域特征光谱计算软件。其中，太赫兹脉冲晶体辐射源包括飞秒激光器、分光镜、透镜和太赫兹发射源，用于产生ps 量级的太赫兹脉冲。飞秒激光器发出100fs的激光脉冲经透镜会聚到太赫兹天线中的GaAs晶体表面，晶体在35V的电压驱动下产生太赫兹波 。太赫兹成像光学系统包括离轴抛物面镜、透镜和平面反射镜等，负责把太赫兹辐射会聚到爆炸物上，再把透过爆炸物的太赫兹辐射会聚到太赫兹探测系统上。 时间延迟太赫兹光谱标定系统包括平面反射镜和电动平移台，可改变泵浦激光的光程。由于太赫兹脉冲的周期（皮秒量级）远大于探测脉冲（飞秒量级），通过改变泵浦激光的光程和调制电动平移台的速度来改变探测脉冲和太赫兹脉冲之间的时间延迟，保证探测脉冲和太赫兹脉冲同时通过电光晶体，从而确保太赫兹光谱的测量准确度。电动平移台对两个反射镜速度的控制由计算机来完成，通过改变光程进而改变太 赫兹光束到达晶体的时间，电动平移台改变光程的zui终结果是改变锁相放大器的输出信号 。在移动过程中会出现锁相zui大输出信号。计算机通过 记录平移台位置和锁相信号间的关系，可解算出 THz 的信息。太赫兹电光采样探测系统包括 ZnTe 晶体探测器、1/4 石英波片、沃拉斯顿棱镜 和光电二极管探测器等，负责把太赫兹辐射转换为电信号。图2为无爆炸物时的 THz-TDS 测试结果，横坐标为电动平移台位置，纵坐标为输出的太赫兹信号。
图 2 无爆炸物时的太赫兹时域系统测试结果
太赫兹脉冲经过离轴抛物面镜准直后 照射样品，样品的透射光被第二个带孔离轴抛物 面镜聚焦在 ZnTe 晶体上。 同时，反射的一路光 作为探测光，穿过带孔抛物面镜中心，经过透镜会聚到电光晶体的同一位置 。此时飞秒激光的偏振 状态由线偏振转变为椭 圆偏振，再经过棱镜分为 s 偏振光和 p 偏振光。这两束光的光强差正比于太赫兹电场 。使用差分探测器可将两束光的光强差转换为电流差，从而探测到太赫兹电场随时间变化的时域光谱。锁相探测系统包括锁相放大器，可提高太赫兹探测的信噪比，并获得太赫兹电场的振幅和相位信息。太赫兹时域特征光谱计算软件实现爆炸物特征吸收光谱的计算、显示、保存和调用。图2为无爆炸物时的 THz-TDS 测试结果，横坐标为电动平移台位置，纵坐标为输出的太赫兹信号。
*内容来源：《基于太赫兹时域光谱系统的爆炸物识别》 解琪、杨鸿儒
