太赫兹无损检测的研究*

无损检测技术是一种不破坏零件或材料,可直接在现场进行检测的技术,广泛应用于样件的质量评估。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。作为一种新型技术,太赫兹无损检测已经成为现有无损检测技术的有力补充。文章介绍了太赫兹成像系统的工作原理,阐述了基于连续太赫兹成像的无损检测技术在实际样件测试中的应用。实验测试结果表明,一些样件利用太赫兹无损检测技术可测得其内部缺陷。     

基于平均吸收的太赫兹波振幅成像研究

提出了一种基于一定频率内平均吸收的太赫兹(THz)波振幅成像新方法。太赫兹波频率在0.1～10 THz之间,波段位于红外和微波之间。太赫兹波成像技术的一个显著特点是信息量大,如何对每个样品点的大量信息进行处理提取有用信息重构出样品的图像是一项关键技术。选用中间挖空有“THz”字样的白纸为样品作太赫兹波成像研究,首先探讨了时域和频域上几种常用太赫兹波振幅成像方法所反映的样品信息及其特点,进一步使用提出的基于一定频率内平均吸收的太赫兹波振幅成像新方法对样品进行图像重构。实验结果表明这种新方法可以很好的反映样品的真实信息,反映了样品在一定频率范围内由于吸收而引起的效果的综合,与吸收系数和厚度相关,离散效应得到了很好的消除,相对几种常用的太赫兹波振幅成像方法能够得到更清晰的图像。此新方法尤其适用于结构简单的样品,能够成为几种常用振幅成像方法的有力补充。     

太赫兹激励的红外热波检测技术

本文的目的在于探索一种新的适用于红外热波检测技术的热激励方式——太赫兹(THz)热激励. 文中介绍了THz波周期性热激励的热传导理论模型; 尝试利用返波振荡器(返波管backward wave oscillator, BWO)太赫兹源对一块碳纤维基底吸波涂层板进行周期性THz热激励, 红外热像仪连续观测和记录试件表面温场变化, Canny边缘算法处理热图像显示缺陷; 检测结果与闪光灯脉冲激励的结果进行比较, 讨论了太赫兹波激励红外热波检测技术可能的优势. 实现了THz技术与红外热波无损检测技术的结合.     

基于TPX透镜的连续太赫兹波像面数字全息成像研究

太赫兹波对非极性材料具有良好的穿透性,与太赫兹波强度成像相比,相衬成像能够更好的反映物体的内部结构.本文提出了基于TPX透镜的连续太赫兹波像面数字全息相衬成像方法,研究了全息记录和再现过程,利用曲面拟合畸变校正去除TPX透镜引入的二次相位畸变.实验搭建了太赫兹像面数字全息成像系统,利用振幅型西门子星样品对系统的成像分辨...     

基于焦平面阵列的连续太赫兹波生物组织成像技术研究

太赫兹焦平面成像是一种实用成像技术,具有快速成像、结构简单的特点,适用于生物组织的太赫兹波段成像。为此,搭建了一套反射式连续太赫兹波焦平面成像系统,对新鲜猪肉组织、大鼠脑组织和人脑胶质瘤组织进行成像。实验发现,通过添加成像窗口可以减少目标不平整表面的散射;同时,采用平场校正可以消除非均匀光照带来的影响。结果表明,反射式连续太赫兹波焦平面成像系统可用于对生物组织的实时成像,为生物组织的无标记快速成像提供了有效的技术手段。     

太赫兹连续波成像的质量改进与降噪

太赫兹波成像具有电离辐射小,对有机物鉴别力高等多种技术优势,因而非常适合应用于非接触式、非破坏性成像检测。然而这种成像手段易受到成像时电磁环境干扰和设备功率变化等问题的影响,因而存在一些特定的干扰模式,导致大部分的太赫兹脉冲扫描图像很难获得高清晰度的图像。利用搭建的太赫兹连续波源透射光路成像系统实现了逐点扫描式太赫兹成像。通过阈值灰度变换算法的改进优化,对卡片、树叶、一元硬币和钥匙四种样品的太赫兹波图像进行了去噪,然后基于拉普拉斯算子对图像进行锐化增强,并用均方误差和峰值信噪比估计等对去噪效果进行评价。去噪后太赫兹波扫描的部分样品峰值信噪比估计值提高可达4～5 dB,图像质量得到明显改善。研究证明所搭建的太赫兹成像系统具有一定的应用前景。     

太赫兹波三维成像技术研究进展

太赫兹波具有良好的光谱特性、非电离性和对许多非极性材料具有穿透性,在无损探伤、安检、生物医学诊断、艺术品鉴别等领域表现出许多独特的优点。特别是,太赫兹波三维成像技术能够实现样品内部信息探测,逐渐成为当前的研究热点,并展现出广阔的发展前景。本文重点介绍了太赫兹波三维成像的几种常用技术,包括其基本原理和对应的研究进展,并分析了存在的问题和发展趋势。     

大鼠冲击性脑创伤的太赫兹波成像检测

冲击波造成的脑创伤是目前较常见的致死致残疾病之一,对冲击性脑损伤的检测与分类具有重要意义。基于连续太赫兹波成像系统,对不同程度冲击波致伤的大鼠脑组织进行了连续太赫兹波衰减全反射成像检测,并采用支持向量机(SVM)分类器对不同创伤程度的脑组织太赫兹波成像结果进行分类识别。结果表明,太赫兹波衰减全反射成像技术可以实现对轻度、中度冲击性脑创伤脑部组织的检测。通过SVM分类器对不同创伤程度的脑部组织成像结果进行分类识别,其分类识别准确率可以达到86.36%。太赫兹波成像技术有望实现对不同程度冲击性脑创伤的早期精确检测与诊断。     

太赫兹波频域的GaAs材料特性

利用返波振荡器(BWO)系统对不同电阻率的GaAs在太赫兹波段的透射谱进行了测试,并对太赫兹波透射谱进行了计算和分析,得到不同电阻率的GaAs材料在太赫兹波0.23～0.375 THz波段范围的折射率、吸收系数和介电常数实部和虚部等光学特性参数。实验结果表明,不同电阻率的GaAs在整个测试太赫兹波频段内的折射率,吸收系数,介电常数实部和虚部均随着电阻率的增加而增加。高电阻率的GaAs材料对太赫兹波的吸收很小,其最小吸收系数可达到3.87×10-4 cm-1。同时也表明采用返波振荡器系统研究分析GaAs在太赫兹波段特性是可行的。研究不同电阻率的GaAs在太赫兹波段的光学特性,对设计高效率太赫兹波天线具有重要意义。     

太赫兹波段豆油光谱的优化测量

太赫兹时域光谱技术是基于飞秒超快激光技术的有效的光谱检测技术,太赫兹波独特的优势使其成为一种有效的无损检测手段,并被广泛地应用到各个领域。然而在样品检测尤其是液体样品检测过程中,由于Fabry-Perot效应的存在,太赫兹波在样品、样品容器、以及光学元件之间的多次反射,使时域信号产生回波,样品的吸收光谱在频域内产生振荡,有可能会隐藏一些重要的吸收特征。为了解决这一问题,对解卷积算法进行改进,在传统计算模型的基础上,考虑系统中液体池窗片和光学元件对太赫兹波的非线性吸收,将包含回波的太赫兹时域信号描述为太赫兹主脉冲与一系列冲击信号和非线性传递函数的卷积。通过分析,有效去除回波引起的频谱振荡,进一步提高太赫兹波段豆油光学参数的测定精度。实验对比了改进前后0.2～2 THz波段豆油的频谱及吸收谱,实验结果证明,与传统的主脉冲截取法相比,本算法不仅能有效去除回波引起的频谱振荡,且在相同检测条件下,可将太赫兹波段豆油样品的频率分辨率由50 GHz有效提高至10 GHz。该算法不受被测对象参数的影响,同样适用于其他液体的太赫兹时域光谱测量。最后对吸收谱中残余的频谱振荡进行了深入分析。     

Real-time two-dimensional terahertz tomography of moving objects

We propose real-time two-dimensional (2D) terahertz (THz) tomography for 2D cross-sectional imaging of moving objects. The proposed method does not require mechanical scanning elements for time delay and sample position, which are essential for conventional THz tomography. For this purpose, a 2D spatiotemporal THz image is acquired at a frame rate of 10 frame/s by a combination of time-to-space conversion using non-collinear 2D free-space electro-optic sampling and line focusing of a THz beam on a sample. We demonstrate the use of real-time 2D THz tomography for real-time monitoring of the paint thickness in a moving paint sample and the drying progress in a wet paint film. The proposed method provides a powerful tool for non-ionizing and non-contact probing in the fields of nondestructive testing and biomedical diagnostics.     

太赫兹成像技术对玉米种子的鉴定和识别

利用太赫兹时域光谱(THz_TDS)测试技术及透射式太赫兹逐点扫描成像技术分别对几种玉米种子DNA和胚的样品进行了光谱和成像测量;利用空间图样成份分析(component spatial pattern analysis)方法对得到的THz像进行识别运算。实验结果表明,几种样品在THz波段都有不同的吸收特性,但都没有明显的吸收峰,不能利用“特征指纹谱”进行识别。用基于THz扫描成像的空间图样成份分析方法能很好地实现不同玉米种子DNA样品的鉴定和识别。与现有的THz图像识别方法相比,这个方法只需要THz像的实验数据和样品的吸收谱信息,不需要样品的其它特征。这项研究为进一步利用THz成像技术实现无损检测、安全检查、质量监测等提供了依据,具有实际应用价值。     

食品添加剂特丁基对苯二酚的太赫兹光谱及其检测分析

太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术对物质进行无损检测是太赫兹应用领域的一个研究热点.针对近日报道检查出部分麦当劳的"麦乐鸡"添加剂中含有的一种化学成分一特丁基对苯二酚(TBHQ)含量超标,应用太赫兹无损检测技术对其作定性识别.测得该种化学成分在0.2～2.2 THz的吸收谱和折射率曲线,并将其以不同比例与面粉均匀混合,测得混和物和面粉在0.2～2.2 THz的吸收谱.同时对TBHQ进行理论模拟作为对比.结果表明,通过太赫兹波段吸收曲线的特征差异检测TBHQ是可行的,为无损食品添加剂的检测提供一种新型的方法.     

THz wave polarization-controlled spectroscopic imaging for anisotropic materials

We present a polarization-controlled terahertz (THz) wave spectroscopic imaging modality to investigate the anisotropy of the detected materials. The polarization of the emitted THz wave is controlled by changing the relative phase between the fundamental and second-harmonic waves in the two-color laser-induced air plasma THz generation configuration. The THz wave polarization direction is extracted by measuring the two electric field amplitudes when the polarization of the incident wave is controlled to be horizontal and vertical. The anisotropy of the industrial Sprayed-On-Foam-Insulation (SOFI) is characterized by measuring its azimuthal angle dependent THz polarization response. This work demonstrates that THz wave polarization-controlled imaging technique can be used for highly sensitive industrial nondestructive inspection and biological related characterization.     

220 GHz折叠波导返波管束流光学系统设计和实验研究

本文介绍了220 GHz折叠波导行波管电子束流光学系统的设计过程。总体来讲,该系统可分为收敛性皮尔斯电子枪、 磁聚束段和单极降压收集极。对于一个工作在太赫兹频段的电真空器件而言,极其细长的束流孔道让电子注以较高的流通率穿过慢波结构变得十分困难。空间电荷效应,加工装配精度和热初速等原因都是限制流通率的重要原因。研发一个具有足够流通率的实用束流光学系统对于220 GHz折叠波导返波管的研制是迫切的且十分棘手的任务。通过理论方法和数值工具,系统的三个部分将先后被设计,以满足束波互作用分析提出的电子注要求。基于这样的设计和开展的误差分析,流通管样管成功封管并进行了初步测试。实验数据表明这样的束流光学系统可以产生15.4 kV,22 mA的电子注,并能以80%以上的流通率通过直径0.19 mm,长30 mm的束流管道。     

Continuous-wave terahertz digital holography by use of a pyroelectric array camera

Terahertz (THz) digital holography is realized based on a 2.52?THz far-IR gas laser and a commercial 124 × 124 pyroelectric array camera. Off-axis THz holograms are obtained by recording interference patterns between light passing through the sample and the reference wave. A numerical reconstruction process is performed to obtain the field distribution at the object surface. Different targets were imaged to test the system's imaging capability. Compared with THz focal plane images, the image quality of the reconstructed images are improved a lot. The results show that the system's imaging resolution can reach at least 0.4 mm. The system also has the potential for real-time imaging application. This study confirms that digital holography is a promising technique for real-time, high-resolution THz imaging, which has extensive application prospects.     

基于太赫兹量子级联激光器的实时成像研究进展

太赫兹(THz)实时成像是THz技术中颇具潜力的一个领域,具有成像速度快、成像分辨率高等特点,基于THz量子级联激光器(QCL)的实时成像系统是其中最重要的一种,系统体积小、重量轻、成像信噪比高等特点使其在实际应用中具有独特的优势。本文主要介绍了THz QCL器件及其实时成像系统的研究进展,采用超半球高阻硅透镜改善了THz QCL的输出激光,实现了准高斯光束输出,搭建了基于二维摆镜消干涉技术的THz实时成像系统,单帧成像光斑面积45mm×30 mm,实现了对刀片、药片的实时成像演示,成像分辨率优于0.5 mm;最后对成像系统激光源、成像光路和探测端的改进以及成像效果的改善方面进行了综述,并探讨了THz实时成像系统未来的发展趋势及其在材料分析和生物医学成像方面的应用前景。