太赫茲（Terahertz）波，是指波長范圍為3 mm~30 μm，頻率范圍為100 GHz~10 THz的一類電磁波，又稱T射線（T-rays），在某些領域也被稱為遠紅外輻射或毫米波、亞毫米波。雖然大自然中太赫茲輻射源隨處可見，但由于缺少有效的源發(fā)射太赫茲波，并且對太赫茲波的探測也缺乏有效的手段和設備，致使在很長一段時間內人們對太赫茲波的了解并不深入。因此，太赫茲波曾一度成為電磁波譜中不為人所知的“空白”。直至20世紀80年代，超快激光技術的蓬勃發(fā)展為太赫茲波的產生帶來了可能，太赫茲科學開始引起人們的廣泛關注。
無損檢測技術具有無損性、即時性等特點，在航空航天、汽車工業(yè)、化工等領域得到了廣泛應用。目前應用較廣的無損檢測手段包括超聲檢測、射線檢測、磁粉檢測、滲透檢測、渦流檢測5種。可根據使用場合、材料等條件的不同，選擇適當的探傷方式進行檢測。上述5種檢測方法各有其特點和優(yōu)勢，但不能夠完全適用于任何場合。太赫茲無損檢測作為一種新興的無損檢測手段，可以與傳統(tǒng)的檢測方法相互彌補，為復合材料的無損檢測提供更加全面的技術支持。
隨著近年來材料科學的迅速發(fā)展，越來越多的高新材料被廣泛應用。而許多領域對材料的內部規(guī)整性有著極高的要求，這就要求在改良制備工藝以提高材料整體質量的同時，尋找一種有效的手段對材料進行非破壞性探傷，從而確保材料在使用過程中的可靠性。對于磁性材料、高分子復合材料以及泡沫、陶瓷、塑料等應用廣泛的材料，可見光、紅外線甚至是超聲波都不能透過。而對于通常的射線檢測方法而言，無論是上述材料本身，還是材料中可能出現(xiàn)的缺陷，如孔洞、錯位、裂縫等，都是幾近透明的，因此難以對材料內部的缺陷清晰成像，這就使得對這類材料的無損檢測受到限制。
太赫茲波對大部分非金屬、非極性材料具有較好的穿透能力，可利用太赫茲波結合成像技術，對這類材料的內部缺陷進行無損探傷。太赫茲波的光子能量較低，頻率為1 THz的太赫茲脈沖光子能量只有4 meV，相比X射線（keV）的光子能量而言，不會使被檢測對象產生光致電離，具有更高的安全性。此外太赫茲波對水十分敏感，要求被測物質干燥，但也可利用水對太赫茲波的吸收特性檢測某些物質的水分含量。
THz-TDS掃描成像系統(tǒng)具體光路如圖1所示。由脈沖激光器發(fā)出的超快激光脈沖經過偏光分束鏡被分為兩束，一束作為泵浦光，入射到太赫茲發(fā)射器（如光電導天線、半導體晶片、非線性晶體等）上，用于產生太赫茲脈沖，此脈沖經拋物面鏡聚焦后入射到待測樣品上。分束鏡分出的另一束太赫茲脈沖將作為探測光，它與從樣品中透射出的載有樣品信息的太赫茲電磁脈沖共線經過太赫茲探測器（如GaAs光電導開關或電光晶體）。調整時間延遲裝置，測量不同探測光到達時間下太赫茲電場強度的變化量，對其進行傅里葉變換，獲得頻域上幅度和相位的變化量；最后，信號經電流前置放大器、數字信號處理器輸入計算機，對采集到的數字信號進行圖像處理，得到被測樣品在該點處的缺陷圖像。在x-y移動臺上移動樣品，使太赫茲脈沖通過被測樣品的不同點，對其進行逐點掃描，記錄下該樣品不同位置的透射譜信息，就可以獲得整個樣品的圖像，從而測得樣品缺陷的整體存在情況。
近年來，復合材料領域迅猛發(fā)展，越來越多的復合材料被應用在航空航天、船舶、汽車以及核工業(yè)等高新領域，利用太赫茲波對復合材料進行無損檢測的熱潮也應運而生。
所謂復合材料，可以是金屬材料、無機材料、高分子材料中任意兩種或兩種以上的復合，通過物理或化學作用，將會形成并得到兼具各材料優(yōu)點的新材料。但將組成、結構相差甚遠的材料復合到一起時，它們的結合不可能達到完美，并且每一種基材自身也可能存在一定的缺陷，而這些缺陷將會成為材料使用過程中的薄弱環(huán)節(jié)，也就是說，材料很可能在實際使用條件未達理論上限時就從這些薄弱環(huán)節(jié)開始發(fā)生破壞。
為保證材料在后期使用過程中的可靠性，在復合材料的生產、加工、使用過程中對其進行缺陷檢測十分必要。利用太赫茲無損檢測技術，可以在上述各個環(huán)節(jié)有效檢測復合材料可能產生的各種缺陷，而關于太赫茲檢測技術工業(yè)化及其檢測設備小型化的研究已成為當下無損檢測領域研究的又一熱點。
倫斯勒理工學院太赫茲研究中心的謝旭等，在一塊SOFI絕熱泡沫中人工設置了8個在實際生產制造中可能出現(xiàn)的缺陷，并利用時域掃描（TDS）的方法對樣品進行了試驗。試驗所用的超快激光脈沖中心波長為800 mm，脈寬130 fs。實驗過程中激光脈沖被分為兩束，一束作為抽運光束用來產生太赫茲脈沖，另一束作為探測光。太赫茲脈沖照射到樣品上時會穿透SOFI泡沫，被鋁合金底板反射后第二次穿過泡沫層，這時兩束脈沖同時被聚焦到探測晶體上，利用平衡探測與鎖相放大相結合的方法進行測量，在時域上平移抽運光束即可得到試驗樣品在該點的信息。在x-y平面上移動樣品以對樣品進行二維掃描，繼而得到整個樣品的信息。處理得到的數據，可以得到SOFI泡沫內部的缺陷圖像。
為探究太赫茲無損檢測方法對PMI泡沫的可行性，在一塊厚度為35 mm的PMI泡沫表面上預置了兩個孔洞缺陷，如圖7所示，利用THz-TDS系統(tǒng)對該樣品進行缺陷檢測，分辨力為1 mm，其成像結果如圖8所示。成像結果表明，利用太赫茲波在缺陷處發(fā)生散射這一原理對PMI泡沫進行缺陷檢測的方法，能夠有效檢測到PMI泡沫中存在的孔洞缺陷，并且缺陷的位置和大體形貌可以較為清晰地體現(xiàn)在成像效果圖當中。
結 論
近年來，美國等發(fā)達國家在太赫茲無損檢測領域投入了大量的人力、財力，以發(fā)展太赫茲技術在復合材料無損檢測方面的應用。國內也順應前沿科技的潮流，興起了太赫茲無損檢測的熱潮。
總體來講，利用高分子材料、復合材料在太赫茲波段的半透明性，可以檢測到其表面以及內部缺陷（如雜質、位錯、分層、孔洞、脫膠、氧化等）的存在。當太赫茲波入射到缺陷處時將會發(fā)生不同程度的散射，能量將被消耗，因此在成像效果圖上，將會呈現(xiàn)出缺陷的大致形貌，但目前的成像手段還不足以檢測到微小尺寸缺陷。改進成像算法，提高成像分辨力將會有效提高探測精確度。
國內已有成功利用太赫茲波對一些復合材料、高分子材料進行無損檢測的先例，但我國的太赫茲無損檢測技術才剛起步，不僅難以實現(xiàn)快速成像，且缺少方便快捷的硬件設施，使得這一技術的實際應用大大受限。無論是理論研究還是技術改進，都有很長的一段路要走。但總體來講，太赫茲無損檢測技術擁有其獨特的優(yōu)點，隨著復合材料在航空航天、汽車制造業(yè)、電子以及體育用品等產業(yè)的廣泛應用，必將開拓更加寬廣的市場環(huán)境，作為一項新興的探測技術，也必將受到更多的重視，在不久的將來造福于人類。
