太赫兹波，位于红外波段与微波波段之间，相比其他波段具有高透射性、低能量性、相干性、指纹光谱以及瞬态性等特点。太赫兹技术是研究太赫兹波的产生方式、探测和应用的技术。作为新兴的前沿交叉科学技术，太赫兹技术涉及物理学、材料学、化学以及工程技术等领域。
太赫兹成像技术利用太赫兹脉冲作用于目标物，不仅可以透过目标成像，而且可以通过获取目标物反射的太赫兹脉冲强度、相位等信息，再通过数字信号处理和频谱分析实现太赫兹成像。
随着信息技术的快速发展，THz-TDS成像技术在工程（如资源勘探和食品加工）、高速通信、天文研究以及生物医疗等领域表现出广阔的应用前景。越来越多的国家和科研单位开始对THz-TDS成像技术进行深入的研究，获得了高信噪比、高分辨率的图像，满足了不同领域的应用需求。
1. 太赫兹脉冲扫描成像
太赫兹脉冲扫描成像利用太赫兹脉冲信号对放在二维扫描平移台上的目标物进行逐点扫描。目标物在垂直于太赫兹波传输方向的X-Y平面上移动，脉冲信号通过目标物的不同位置，记录不同位置的透射信息或反射信息，获取每个像素点的时域波形，通过傅里叶变换技术提取频谱中包含的相位和振幅等信息，经频谱分析构建目标物的图像。
太赫兹脉冲成像具有信噪比较高的优点，其分辨率可以达到亚毫米级。随着科技的进步，使用聚焦的飞秒激光将焦点位置处的空气产生电离，形成空气等离子体，利用其中的光学非线性效应也能够产生太赫兹脉冲。图1(a)为光电导法产生THz波，(b)为光整流效应产生THz波，(c)为空气等离子体效应产生太赫兹辐射。
2. 太赫兹实时成像
太赫兹实时焦平面成像系统属于反射式太赫兹成像系统，该系统不需要对待测物体进行二维扫描就可以获得整个待测物体的光谱信息，可以减少太赫兹逐点成像时间过长带来的不利影响。
电光晶体取样测量技术可以直接观测到太赫兹电场的二维强度分布，不需要光热效应以及光子效应，系统响应时间虽然较短，但电光晶体的缺陷会影响成像质量。图2是Zhang和Nick等人研制的基于电光材料的太赫兹实时焦平面成像系统。实验表明，太赫兹成像技术在无损检测方面表现出优异的性能，是X射线以及超声波等无法比拟的。
3.太赫兹近场成像
太赫兹成像受到波长对应的衍射极限限制，分辨率比可见光要低，无法满足高精度测量要求。对于传统的太赫兹逐点成像系统和实时成像系统，成像分辨率一般在亚毫米量级，限制了太赫兹成像技术的实用性以及太赫兹成像系统的分辨率，所以突破衍射极限是非常有必要的。为此提出了太赫兹近场成像技术（图3），该技术极大提高了太赫兹成像的性能。
通常所说，太赫兹近场成像技术是指太赫兹扫描近场光学显微技术，发展主要有以下几种：基于散射式的THz-SNOMs、孔径的THz-SNOMs以及基于时域光谱的THz-SNOMs。本部分内容主要对散射式的THz-SNOMs技术研究进行综述。
4. 太赫兹共焦扫描成像
太赫兹共焦扫描成像具有太赫兹成像和激光共聚焦扫描成像的优点，按照成像方式分为反射式和透射式。
国内有关太赫兹共焦扫描成像属于起步阶段，相关研究成果较少，目前对此开展研究的单位主要有电子科技大学、首都师范大学和哈尔滨工业大学。
5. 太赫兹三维成像
由于太赫兹三维成像技术可以更好地获取样品内部的信息，目前逐渐成为研究热点。太赫兹三维成像技术主要有太赫兹计算机辅助层析成像、太赫兹衍射层析成像、太赫兹断层成像和太赫兹数字全息等。目前太赫兹三维成像技术使用较为成熟的是太赫兹CT成像。评价太赫兹三维成像系统的性能，探测距离是十分重要的评价指标。太赫兹波在无损检测中具有巨大的实用价值。
6. 太赫兹差分成像和偏振成像
在THz-TDS技术中，利用差分探测技术可以进一步提高太赫兹脉冲的稳定性、准确性以及信噪比。差分探测技术由于没有使用正交偏振片，利用动态相减技术有效抑制了噪声信号，提升了探测信号的强度。
在太赫兹成像技术中，多数采用光电导采样和电光采样的方法测量太赫兹脉冲，基本上忽略了其中存在的偏振因素。为了提高成像系统的信息获取能力，可以通过改变探测光的偏振态实现对不同太赫兹偏振分量的高精度测量。
为了提高成像系统的信噪比以及成像系统的信息获取能力分别引入以下两种技术：
①将差分电光探测技术引入成像系统，使得单像素太赫兹信号的信噪比可以达到20 dB；
②通过改变探测光的偏振态实现对不同太赫兹偏振分量的高精度测量，提升了探测灵敏度和精确度，张岩团队对太赫兹脉冲焦平面成像系统的改进（见图4）。
7. 其他太赫兹成像技术的研究
随着科学技术的发展太赫兹成像技术取得重大进步，许多关键技术得到突破，使太赫兹成像的分辨率、灵敏度、响应频率带宽以及响应时间不断得到提升。下面介绍比较有代表性的有关太赫兹成像技术的前沿研究，可以看出太赫兹成像技术的快速发展。
从THz-TDS成像技术发展历程可以看出，通过不断地在太赫兹成像系统中使用新的技术，如太赫兹焦平面成像、近场成像、三维成像、改变半导体禁带宽度以及像素模式等技术，不仅可以提高太赫兹成像系统的探测灵敏度和分辨率等性能，而且对太赫兹成像设备趋向小型化、实用化也有很大的促进作用。从发展趋势也可以看到太赫兹成像技术在半导体等材料性能表征方面也会逐渐得到重视。
随着对太赫兹成像技术研究的不断深入，各国越来越认识到了太赫兹成像技术的重要性。尤其是美国在太赫兹成像技术的领域取得了很大进步，之后一些欧洲国家在太赫兹领域也取得了许多重要研究成果。我国虽然在太赫兹研究领域起步较晚，但我国对太赫兹技术的发展给予了高度重视和大力支持，极大推动了我国太赫兹技术的快速发展。
太赫兹成像技术所表现出的优异特性可应用于国家安全、安全检查、生物医学、无损检测、目标雷达成像、环境监测和天文研究等领域，具有十分重要的实用价值和学术价值。
1. 安全检查
太赫兹波具有强穿透性和低辐射特性，与X射线相比安全性更高，不会引起生物组织的有害电离反应，对生物产生的安全问题更小，极大弥补了X射线检测和其他检测技术的缺陷。这在旅客身体的安全检查和生物样品检查等方面至关重要，如图5所示。
图5为太赫兹成像技术在安全检查方面的应用
(a)为中国电科38所研制太赫兹人体安检仪系统成像
2. 无损检测
太赫兹波能够穿透几千毫米厚的泡沫等材质，探测到其中的缺陷，可以为航天飞机以及卫星的安全提供保障。图6(c)为金属缺陷处的太赫兹波图像，(d)为泡沫板缺陷检测结果，检测结果来源于美国伦斯勒理工大学太赫兹研究中心。
3. 生物医学
太赫兹辐射不仅具有较低的电离辐射，而且很多生物大分子以及DNA分子的旋转及振动能级大多处于太赫兹波段内，生物组织对太赫兹波具有独特的响应。因此太赫兹技术能够对生物组织进行检查，判断生物组织是否发生病变，以便及时治疗。
此外，太赫兹成像具有很好的光谱分辨特性，可以快速确定受伤或者病变的组织。图7为肿瘤组织的太赫兹图像。
4. 国家安全
由于太赫兹波具有很强的穿透能力，经过实验证明，太赫兹辐射可以穿透木质、土质等非金属墙体，从而获得室内图像。通过太赫兹成像技术从墙外掌握室内情况，对保障反恐人员安全与反恐任务的执行，起到了重要的作用。
5. 环境监测和天文研究
太赫兹成像技术不仅可以对大气中的一氧化碳（CO）、水（H2O）、氮气（N2）、氧气（O2）等气体进行探测，而且宇宙中大部分物质发出的电磁波处于太赫兹波段，因此太赫兹成像可以对宇宙中冷暗区域进行探测和成像，如研究黑洞的形成和对遥远天体的观测，图8为太赫兹成像技术在环境和天文领域的应用。
图8 太赫兹成像技术在环境和天文领域的应用：环境监测(上图)以及天文研究(下图)太赫兹成像系统必须满足高分辨率、实时性好、便携性以及灵敏度高等性能的要求。对于目前可以有效改进太赫兹成像性能的技术手段，我们认为可以从以下几点考虑：
①通过使用高性能材料（如石墨烯、硅烯、黑磷等），利用新材料的优异性能不断研发新的器件；
②通过使用超表面结构增加对太赫兹辐射的耦合吸收；
③通过消除背景噪声与干涉效应，提高太赫兹成像系统获取信息的能力，例如可以发展单像素成像、CS理论以及优化光学系统等技术；
④通过引入太赫兹天线，将THz能量耦合到探测器的探测单元上，提高对太赫兹辐射的收集能力；
⑤相比传统的太赫兹成像器件，微桥结构的太赫兹焦平面探测阵列器件具有探测波段宽、阵列规模大、集成度高、实时成像、小型化、便携式以及实用化等优势。
我国太赫兹成像技术起步较晚，有许多关键技术还需要攻克，所以需要科学研究机构和产业集团加强合作，研制出拥有自主产权的太赫兹成像技术，使太赫兹成像技术在我国形成产业化，更好地为我国的国防和民生建设服务。
