迅猛发展的太赫兹-太赫兹技术在无损检测中的应用-王芳

第10卷第4期三江高教Vol． 10，No． 4 2014 年 12 月Higher Education of Sanjiang University Dec．，2014

·教学研究·

迅猛发展的太赫兹

———太赫兹技术在无损检测中的应用

王芳1，刘云飞2

( 1．三江学院电子信息工程学院，江苏南京210012;

2．南京林业大学信息科学技术学院，江苏南京 210037)

摘要: 太赫兹( THz) 辐射是一种新型的远红外相干辐射源，具有很多独特的性质。利用太赫兹时域光谱技术和太赫兹成像技术实现无损检测，已经成为现有无损检测技术的有力补充。

笔者介绍了太赫兹无损检测技术在多个领域的应用，论述了太赫兹技术在这些领域的检测原

理，探讨了存在的问题，并对发展前景进行了展望。

关键词: 太赫兹( THz) ; 无损检测; 太赫兹成像; 太赫兹时域光谱技术

中图分类号: TN24文献标识码: B文章编号: JS-S265( 2014) 04-0025-005

一、引言

太赫兹辐射( Terahertz，THz) 是对特定波段电磁辐射的统称，指频率在0．1 THz～10

THz(波长在 3 mm ～ 30 μm)范围内的电磁辐射( 1 THz = 1012Hz) 。这一频段的电磁波又叫毫米波或亚毫米波; 在光谱学领域，则被称为远红外波，其能量介于电子和光子之间，所以既不能完全用光学理论来处理，也不能完全用微波的理论来研究。在20世纪80年代中期之前，由于缺乏太赫兹波高效率的发射源和灵敏的探测器，这一波段的电磁辐射并未得到深入研究，只有极少量的技术和应用，从而也就形成了科学家们通常所说的“太赫兹空隙”( THz Gap) 。近几十年里，得益于超快光电子( optoelectronic) 与低尺度半导体技术的飞速发展，为太赫兹波段提供了合适的光源和探测手段，使得太赫兹辐射逐渐兴起，并受到各国的重视。2003年美国哥伦比亚号航天飞机失事原因，便是通过太赫兹技术与微波相结合所探查的。图1为太赫兹波在电磁波谱的位置。

太赫兹波之所以受到人们的关注，是因为太赫兹辐射与其它波段的电磁波辐射相比存在很多特性: 1．宽带性。太赫兹脉冲源包含几个周期的电磁振荡，单个脉冲频带范围可从GHz 到几十THz。2．瞬态性。太赫兹的脉冲脉宽在皮秒量级，可以很方便地对各种需时间分辨的材料进行研究，通过取样测量可以有效

收稿日期: 2014-10-10

基金项目: 国家自然科学基金项目( 31200541)

作者简介: 王芳( 1984—) ，女，三江学院电子信息工程学院讲师，南京林业大学信息科学技术学院博士生。研究方向: 无损检测技术。

刘云飞( 1962—) ，男，博士，南京林业大学信息科学技术学院教授、博导。研究方向: 无损检测技术。

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的太赫兹信号，从而得到该物体的内部特征

如: 结构、组成和缺陷。利用太赫兹实现无损

检测，最关键的就是产生高效的太赫兹波、灵

敏探测、最优的数据解释等。即首先获得检测

样品的太赫兹光谱，然后通过对光谱分析、成

像，最后得到样品的相关属性。

( 一) 太赫兹时域光谱技术

图1 太赫兹波在电磁波谱的位置

太赫兹时域光谱技术( THz－TDS) 是20 世纪80年代由AT＆T，Bell实验室和IBM公司的T．J．Watson研究中心研究出的，是一种

地抑制背景辐射噪音，目前测量辐射的强度信

较新的太赫兹波谱技术。它利用在太赫兹频

噪比可大于1010，具有较好地稳定性。3．指纹

带内不同物质对应不同特征吸收谱的特性来

谱性。大多数极性分子和生物大分子的振动

分析结构、物质成分以及其相互作用关系。太

与转动能级跃迁正好处于THz波段，可对它

赫兹时域光谱技术主要有透射式和反射式两

们的“指纹”特征谱进行分析，便可研究它们

种，可以根据检测样品的特征来选择合适的光

的成分结构，物理化学性质等，为检测提供相

谱技术。当检测样品很薄，穿透性很好的时

关的理论依据。4．相干性。太赫兹光谱技术

候，选择透射式THz－TDS; 当检测样品为光的相干性能够直接测量电场振幅和相位信息，

厚介质( 如重掺杂载流子半导体) 时，需要选

可很方便地提取样品的折射率与吸收系数，和

择反射式THz－TDS来对其进行探测。图 2 Kramers － Kronig 关系相比，极大的减少了计

为太赫兹时域光谱系统组成。

算与不确定性。5．低能性。太赫兹光子的能

量仅为毫电子伏特，与其他方法相比( 如X射

线) ，不会因电离而破坏被检测的物质。因

此，THz波在医疗诊断、生物成像等方面具有

重大的科学价值。6．穿透性。太赫兹辐射对大多数的非极性物质是透明的，太赫兹辐射能够轻易地穿透各种非透明非极性材料，可与X

射线成像和超声波成像技术形成互补，对藏匿物体进行检测。7．惧水性。多数的极性分子对太赫兹具有很强的吸收，可通过对其特征谱分析来研究物质成分与对产品质量实行检测。因而具有十分重要的学术与应用价值，其作为新频谱对国际科技界产生了巨大的影响。

二、太赫兹光谱无损检测原理

无损检测是一种不破坏材料特性的检测技术。目前有5种最常用的无损检测方法: 磁粉检测、渗透检测、超声检测、射线检测和涡流检测。不同的检测方法适用于不同的场合和不同的材料。太赫兹波具有量子能量低，对大多数非极性物质透明，兼具频谱性和成像性等特点，已经成为现有无损检测技术的有力补充。太赫兹无损检测的原理是: 利用已知的太赫兹辐射照射被测物体，通过测定并分析输出