基于太赫兹技术的复合材料无损检测研究综述

随着高性能复合材料在航空航天和军事等高新领域的广泛应用,对其质量和性能检查的要求愈加引起重视,如何通过各种方法对复合材料进行无损检测成为近年来研究人员关注的热点和研究方向。太赫兹波量子能量低,对大多数非极性物质透明,因此使用太赫兹技术对复合材料进行无损检测有着独特的应用优势。本文基于太赫兹技术的特点,对太赫兹时域光谱和太赫兹成像技术的无损检测分别进行了详细的论述,并总结了目前复合材料的太赫兹无损检测技术发展趋势,最后对其发展前景进行了展望。     

复合材料内隐藏分层的太赫兹检测和识别

因为太赫兹技术可以克服传统无损检测技术的局限性,具有穿透普通非金属材料等优点,可被用于分析层状材料的内部结构和内层厚度。本文首先介绍了太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)在透射模式下的工作原理,然后使用Rouard等效界面理论来描述多层结构中波的传播,推导得到透射模式下太赫兹波在三层介质中的理论传输模型。通过太赫兹时域光谱系统对制备的样品进行了透射成像。结果证明样品内部聚氯乙烯(PVC)薄片的位置和形状等信息可以被探测到,从而为探测多层材料内部结构提供理论和实验依据。     

太赫兹复合材料无损检测技术及其应用

随着材料科学的迅速发展,复合材料、高分子材料在航空航天领域得到了广泛应用。由于这些材料的特殊性质,现有的较为成熟的探伤手段都不能有效对其进行检测。但对于太赫兹波来说,许多非极性、非金属材料都是半透明,可以有效探测到这些材料的内部缺陷。本文简要介绍了太赫兹的性质及太赫兹无损探伤原理,并以航天领域应用较广的几种复合材料为例对太赫兹无损检测应用做了简介。     

太赫兹无损检测在文物保护领域的研究进展

为更好地设计基于不同材料、不同制作工艺文物的最佳保护方案,文物保护科技人员首先需要选用最有效的无损检测方法对文物进行全面检测。太赫兹波具有光子能量低、对非金属和非极性物质有较强穿透性、可同时获得脉冲电场振幅和相位信息、较好的抗干扰能力等独特性质,使其在诸多无损检测方法中脱颖而出。本文系统综述了太赫兹技术在文物无损检测应用中的最新研究进展;阐述了不同类型文物材料的太赫兹光谱特征、太赫兹成像检测技术原理和特点;指出了太赫兹无损检测技术对不同类型文物进行无损检测的技术关键点,列举了太赫兹技术在文物科学领域最成功和最具代表性的应用实例。最后展望了太赫兹无损检测技术在文物保护领域的发展趋势。     

隔热板的太赫兹无损检测

为了研究太赫兹无损检测技术对复合材料与金属板黏合面粘接质量的检测能力,在隔热板上制造了不同特征的人工缺陷,并使用德国SynViewScan 300连续太赫兹波成像系统对样件进行了检测。结果表明,太赫兹波能够穿透复合材料,并获得复合材料与金属板的黏合面处的2维太赫兹图像,从图像中能够清晰地分辨出不同特征的缺陷。该研究结果为检测复合材料黏合质量及脱黏状况提供了有效的办法。     

太赫兹成像技术在无损检测中的实验研究

太赫兹成像是一种新兴技术,为了将其应用在无损检测领域,提出了一种基于连续扫描的新型太赫兹成像系统.通过对隐藏的硬币和带小孔的金属板等样品进行检测,得到了清晰的图像.实验结果表明通过本成像系统可以对隐藏的金属样品进行鉴别,其空间分辨率低于0.5 mm.因而本系统可以成功地应用于无损检测.     

太赫兹光谱成像龋齿检测

龋齿是一种广泛存在的慢性传染病,如果不及时采取治疗措施,可能会引发一系列口腔和人体健康问题,因此龋齿的早期筛查和治疗后的恢复跟踪诊疗非常重要.太赫兹电磁波对牙齿拥有较强的穿透性和非电离辐射,使其成为未来龋齿早筛的重要潜在手段之一.本文使用太赫兹时域光谱成像分析仪对含有龋病的牙齿切片进行了二维太赫兹脉冲透射扫描成像.实验结果表明：由于牙齿中不同组织对太赫兹脉冲的响应不同,该技术可有效对牙釉质、牙本质和牙釉质龋进行区分和检测;采用频域成像分析,也可对牙本质龋进行检测.太赫兹谱学成像技术可为龋齿早期筛查提供一种无电离辐射、非接触、高可靠性的新手段.     

基于太赫兹时域光谱技术的橡胶材料无损检测

针对橡胶材料与金属板粘接样件厚度及粘接质量,采用反射式太赫兹时域光谱(THz- TDS)系统对其进行无损检测。通过对检测数据中各点时域波形飞行时间信息的分析,得到样件橡胶部分的二维厚度分布图,实现了橡胶样件厚度分布的可视化成像;通过对检测数据中特征点波形及B-Scan图像的综合分析,判断出样件的分层缺陷。该研究结果为橡胶材料厚度及分层缺陷的无损检测提供了有效的解决办法。     

太赫兹时域光谱技术检测复合材料与金属的脱粘缺陷

基于太赫兹时域光谱技术,提出应用太赫兹脉冲成像技术检测胶接结构中的脱粘缺陷,研究泡沫材料PMI与钢板胶接结构脱粘缺陷的检测.实验采用反射模式,分别对粘合部分与脱粘部分进行数据测试,对比分析发现数据在时域和频域范围均有明显区别.对待测样品进行二维扫描,应用太赫兹时域信号的时间位置幅值、最大值、延迟时间和频域信号不同频点的幅值、所有频点幅值叠加值对待测样品进行成像.研究结果表明基于太赫兹时域光谱技术的太赫兹脉冲成像技术能够检测出泡沫材料PMI与钢板胶接结构的脱粘缺陷;应用太赫兹时域信号的时间位置幅值、最大值、延迟时间和频域信号不同频点的幅值、所有频点幅值叠加值进行成像的结果,均可以分辨出样品的脱粘缺陷;不同的数据信息的成像效果不同.     

玻璃纤维复合材料孔隙的太赫兹光谱特性研究

探索太赫兹波和玻璃纤维复合材料孔隙缺陷的相互作用机理,分析在0.075和0.713 THz频率点时,孔隙率和太赫兹特征参数（折射率、消光系数和透射系数）之间的相互作用关系。实验结果表明：随着孔隙率增加,玻璃纤维复合材料密度降低,折射率呈递减趋势。在频率为0.075 THz时,基于瑞利散射理论,随着孔隙率增加,消光系数下降,透射系数上升;0.713 THz时,基于Mie散射理论,随着孔隙率增加,消光系数上升,透射系数下降。此外,孔隙形貌的复杂多变导致孔隙率与太赫兹特征参数之间存在非唯一对应关系,具有相同孔隙率的不同样本的太赫兹特征参数并不相同。     

基于太赫兹偏振成像的砗磲材料检测

太赫兹波由于其所在波谱位置的特殊性,具有穿透性高,能量低,对极性分子敏感,对非金属非极性材料友好等特性,在无损检测、安全监测方面具有独特优势。利用太赫兹时域光谱成像系统,通过改变入射与探测光的偏振方向,对包含槽型缺陷的砗磲样品进行不同偏振方向的成像实验。由于砗磲材料本身透过率不高,色散较大,传统的直接成像结果无法分辨,难以达到预期效果。通过引入琼斯矢量和琼斯矩阵概念,对偏振成像结果再处理,可进一步提高成像效果。结果表明,此方法对所含缺陷的边缘信息十分灵敏,可以有效地提高砗磲材料成像结果的分辨力。     

Investigation on propagation properties of terahertz waveguide hollow plastic fiber

The propagation properties of terahertz (THz) waveguide plastic hollow fiber have been investigated in this paper. The effects of radiation frequency, bore diameters and dielectric coating layers on the waveguide property have been shown and discussed. The results show that the attenuation loss of TM mode increases and that of TE mode decreases as radiation frequency increases. The attenuation loss decreases with the increasing of fiber bore diameter. The attenuation loss decreases as the refractive index of dielectric coating layer and the ratio of the refractive index of outer dielectric layer to that of inner dielectric layer increase.     

碳纤维复合材料皮秒激光切割工艺研究

为了研究100W皮秒激光对碳纤维复合材料（CFRP）切割工艺,采用单因素实验方法,进行了理论分析和实验验证,得到了平均功率、重复频率、扫描速率、扫描次数对热影响区及扫描深度的影响规律,并对1.5mm厚碳纤维复合材料板进行了切割实验。结果表明,选取平均功率为60W、重复频率为0.4MHz、扫描速率为10m/s、轨迹重复扫描20次、切缝上表面宽为350μm等适当参量时,得到的直线切缝和圆形切孔的热影响区极小。这为皮秒激光切割CFRP的进一步研究与工业应用提供了参考。     

Nondestructive optical fiber modulation using radiation modecoupling phenomena

We demonstrate a nondestructive optical fiber modulation technology based on a radiation mode coupling (RMC) interference effect that modulates the phase difference between a guided mode and recoupled radiation modes. Because of high sensitivity of the RMC effect in the buffer layer, deep signal modulation in frequency region to the order of MHz is successfully generated by applying slight lateral deformation of a few μm to the fiber with the piezoelectric device. Modulation index of 30 was achieved for an applied voltage of 14 V_pp and no signal fading was observed for all the states of polarization. This technique enables a free access modulation at any points along optical fibers with a wide frequency band response and low applied voltages and requires no complex composition such as polarization diversity     

采用光学处理方法的被动太赫兹波综合孔径成像

综合孔径技术对于提高被动太赫(THz)成像系统的分辨率、减小系统体积有着重要的意义.研究了一种基于电光调制和空间光干涉成像的THz综合孔径成像技术.在该成像方法中,天线阵列接收目标辐射的THz信号,通过混频和电光调制将信号振幅和相位信息加栽到激光载波上,由光纤传输该激光信号并在光纤末端形成天线缩比阵列结构,最终利用光纤阵列输出光束的空间互相干在透镜焦平面上获得目标成像.分析了该成像方法的原理,以及成像中的信号变换与光学干涉处理的关键技术,并利用0.5 THz超导体一绝缘体一超导体(SIS)接收机进行了电光调制和干涉实验.结果表明:该方法能够应用于被动THz综合孔径成像.     

太赫兹纤维波导研究进展

实现太赫兹波的低损耗、柔性传输是解决太赫兹设备轻量化、便携化的一个核心途径.本文综合分析了近年来太赫兹纤维波导技术的研究历程,把纤维波导的研究分为原始材料的选择和挖掘、纯材料的结构设计与加工、拉伸超材料波导的设计与加工3 个阶段,并对各阶段的典型研究成果、优缺点及应用性进行了总结.最后,展望拉伸超材料将成为近期太赫兹纤维波导技术研究的新方向,有望实现太赫兹波的低损耗、柔性化、低廉性传输.     

Time reversal terahertz imaging

We describe a technique for imaging in the terahertz regime using time reversal of single-cycle pulses. Specifically, the time-reversal symmetry of Maxwell's wave equation is exploited to reconstruct the transmission function of a diffracting aperture by inverting the diffracted fields. After deriving a time-reversed form of the Huygens-Fresnel diffraction integral, we demonstrate through simulation and experiment the reconstruction of one-dimensional and two-dimensional (2-D) objects. A means to obtain data efficiently for reconstruction of 2-D apertures is described. The spatial resolution determined by the Sparrow criterion is found to correspond to approximately 30% of the peak wavelength and 85% of the mean wavelength of the power spectrum of the single-cycle waveform. Finally, the modulation transfer function for the imaging method is simulated and is shown to be nearly diffraction-limited when compared to an ideal imaging system.     

太赫兹孔径编码成像研究综述

太赫兹孔径编码成像借鉴了光学孔径编码成像和微波关联成像的基本原理,通过反射式天线等技术改变目标区域太赫兹波等效空间幅相分布来实现高分辨成像,具有高帧率、高分辨、前视凝视等诸多优势,是太赫兹雷达的重要发展趋势之一.介绍了太赫兹孔径编码成像提出的背景,系统阐述了其原理、现状、实现方式、关键问题,指出了其在末制导、安检反恐等领域广阔的应用前景,以期为推动太赫兹孔径编码成像和新体制太赫兹雷达研究提供一定的借鉴.     

频率选择表面谐振特性在玻璃钢结构吸波材料中的应用研究

研究了频率选择表面(FSS)的谐振特性对玻璃钢(FRP)结构吸波材料吸波特性的补偿提高作用。为了提高FRP在8~11 GHz频段内的吸波特性,利用有限元法仿真设计了圆环孔径型以及双方环贴片型两种不同图形样式的FSS,并用自由空间法对其谐振特性进行了测试,最后利用FSS谐振特性对FRP在8~11 GHz频段内的吸波特性进行了补偿优化。结果表明,利用FSS在对应频段内的谐振特性,能够将FRP在8~11 GHz频段内的反射率全频段降至–10 dB以下,从而大幅度提高了FRP的雷达吸波特性。这为玻璃钢结构吸波材料的隐身化研究开辟了一条新的途径。