太赫茲（Terahertz）波，是指波長(zhǎng)范圍為3 mm~30 μm，頻率范圍為100 GHz~10 THz的一類(lèi)電磁波，又稱(chēng)T射線（T-rays），在某些領(lǐng)域也被稱(chēng)為遠(yuǎn)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(jiàn)，但由于缺少有效的源發(fā)射太赫茲波，并且對(duì)太赫茲波的探測(cè)也缺乏有效的手段和設(shè)備，致使在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)人們對(duì)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(jì)80年代，超快激光技術(shù)的蓬勃發(fā)展為太赫茲波的產(chǎn)生帶來(lái)了可能，太赫茲科學(xué)開(kāi)始引起人們的廣泛關(guān)注。

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有無(wú)損性、即時(shí)性等特點(diǎn)，在航空航天、汽車(chē)工業(yè)、化工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前應(yīng)用較廣的無(wú)損檢測(cè)手段包括超聲檢測(cè)、射線檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、滲透檢測(cè)、渦流檢測(cè)5種?？筛鶕?jù)使用場(chǎng)合、材料等條件的不同，選擇適當(dāng)?shù)奶絺绞竭M(jìn)行檢測(cè)。上述5種檢測(cè)方法各有其特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，但不能夠完全適用于任何場(chǎng)合。太赫茲無(wú)損檢測(cè)作為一種新興的無(wú)損檢測(cè)手段，可以與傳統(tǒng)的檢測(cè)方法相互彌補(bǔ)，為復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)提供更加全面的技術(shù)支持。

隨著近年來(lái)材料科學(xué)的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的高新材料被廣泛應(yīng)用。而許多領(lǐng)域?qū)Σ牧系膬?nèi)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(zhì)量的同時(shí)，尋找一種有效的手段對(duì)材料進(jìn)行非破壞性探傷，從而確保材料在使用過(guò)程中的可靠性。對(duì)于磁性材料、高分子復(fù)合材料以及泡沫、陶瓷、塑料等應(yīng)用廣泛的材料，可見(jiàn)光、紅外線甚至是超聲波都不能透過(guò)。而對(duì)于通常的射線檢測(cè)方法而言，無(wú)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(cuò)位、裂縫等，都是幾近透明的，因此難以對(duì)材料內(nèi)部的缺陷清晰成像，這就使得對(duì)這類(lèi)材料的無(wú)損檢測(cè)受到限制。

太赫茲波對(duì)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(jié)合成像技術(shù)，對(duì)這類(lèi)材料的內(nèi)部缺陷進(jìn)行無(wú)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(huì)使被檢測(cè)對(duì)象產(chǎn)生光致電離，具有更高的安全性。此外太赫茲波對(duì)水十分敏感，要求被測(cè)物質(zhì)干燥，但也可利用水對(duì)太赫茲波的吸收特性檢測(cè)某些物質(zhì)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(jīng)過(guò)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(dǎo)天線、半導(dǎo)體晶片、非線性晶體等）上，用于產(chǎn)生太赫茲脈沖，此脈沖經(jīng)拋物面鏡聚焦后入射到待測(cè)樣品上。分束鏡分出的另一束太赫茲脈沖將作為探測(cè)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(jīng)過(guò)太赫茲探測(cè)器（如GaAs光電導(dǎo)開(kāi)關(guān)或電光晶體）。調(diào)整時(shí)間延遲裝置，測(cè)量不同探測(cè)光到達(dá)時(shí)間下太赫茲電場(chǎng)強(qiáng)度的變化量，對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換，獲得頻域上幅度和相位的變化量；最后，信號(hào)經(jīng)電流前置放大器、數(shù)字信號(hào)處理器輸入計(jì)算機(jī)，對(duì)采集到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行圖像處理，得到被測(cè)樣品在該點(diǎn)處的缺陷圖像。在x-y移動(dòng)臺(tái)上移動(dòng)樣品，使太赫茲脈沖通過(guò)被測(cè)樣品的不同點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行逐點(diǎn)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(gè)樣品的圖像，從而測(cè)得樣品缺陷的整體存在情況。

近年來(lái)，復(fù)合材料領(lǐng)域迅猛發(fā)展，越來(lái)越多的復(fù)合材料被應(yīng)用在航空航天、船舶、汽車(chē)以及核工業(yè)等高新領(lǐng)域，利用太赫茲波對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的熱潮也應(yīng)運(yùn)而生。

所謂復(fù)合材料，可以是金屬材料、無(wú)機(jī)材料、高分子材料中任意兩種或兩種以上的復(fù)合，通過(guò)物理或化學(xué)作用，將會(huì)形成并得到兼具各材料優(yōu)點(diǎn)的新材料。但將組成、結(jié)構(gòu)相差甚遠(yuǎn)的材料復(fù)合到一起時(shí)，它們的結(jié)合不可能達(dá)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(huì)成為材料使用過(guò)程中的薄弱環(huán)節(jié)，也就是說(shuō)，材料很可能在實(shí)際使用條件未達(dá)理論上限時(shí)就從這些薄弱環(huán)節(jié)開(kāi)始發(fā)生破壞。

為保證材料在后期使用過(guò)程中的可靠性，在復(fù)合材料的生產(chǎn)、加工、使用過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行缺陷檢測(cè)十分必要。利用太赫茲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，可以在上述各個(gè)環(huán)節(jié)有效檢測(cè)復(fù)合材料可能產(chǎn)生的各種缺陷，而關(guān)于太赫茲?rùn)z測(cè)技術(shù)工業(yè)化及其檢測(cè)設(shè)備小型化的研究已成為當(dāng)下無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域研究的又一熱點(diǎn)。

倫斯勒理工學(xué)院太赫茲研究中心的謝旭等，在一塊SOFI絕熱泡沫中人工設(shè)置了8個(gè)在實(shí)際生產(chǎn)制造中可能出現(xiàn)的缺陷，并利用時(shí)域掃描（TDS）的方法對(duì)樣品進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)所用的超快激光脈沖中心波長(zhǎng)為800 mm，脈寬130 fs。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中激光脈沖被分為兩束，一束作為抽運(yùn)光束用來(lái)產(chǎn)生太赫茲脈沖，另一束作為探測(cè)光。太赫茲脈沖照射到樣品上時(shí)會(huì)穿透SOFI泡沫，被鋁合金底板反射后第二次穿過(guò)泡沫層，這時(shí)兩束脈沖同時(shí)被聚焦到探測(cè)晶體上，利用平衡探測(cè)與鎖相放大相結(jié)合的方法進(jìn)行測(cè)量，在時(shí)域上平移抽運(yùn)光束即可得到試驗(yàn)樣品在該點(diǎn)的信息。在x-y平面上移動(dòng)樣品以對(duì)樣品進(jìn)行二維掃描，繼而得到整個(gè)樣品的信息。處理得到的數(shù)據(jù)，可以得到SOFI泡沫內(nèi)部的缺陷圖像。

為探究太赫茲無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)PMI泡沫的可行性，在一塊厚度為35 mm的PMI泡沫表面上預(yù)置了兩個(gè)孔洞缺陷，如圖7所示，利用THz-TDS系統(tǒng)對(duì)該樣品進(jìn)行缺陷檢測(cè)，分辨力為1 mm，其成像結(jié)果如圖8所示。成像結(jié)果表明，利用太赫茲波在缺陷處發(fā)生散射這一原理對(duì)PMI泡沫進(jìn)行缺陷檢測(cè)的方法，能夠有效檢測(cè)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(dāng)中。

結(jié) 論

近年來(lái)，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在太赫茲無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域投入了大量的人力、財(cái)力，以發(fā)展太赫茲技術(shù)在復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)方面的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)也順應(yīng)前沿科技的潮流，興起了太赫茲無(wú)損檢測(cè)的熱潮。

總體來(lái)講，利用高分子材料、復(fù)合材料在太赫茲波段的半透明性，可以檢測(cè)到其表面以及內(nèi)部缺陷（如雜質(zhì)、位錯(cuò)、分層、孔洞、脫膠、氧化等）的存在。當(dāng)太赫茲波入射到缺陷處時(shí)將會(huì)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(huì)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(cè)到微小尺寸缺陷。改進(jìn)成像算法，提高成像分辨力將會(huì)有效提高探測(cè)精確度。

國(guó)內(nèi)已有成功利用太赫茲波對(duì)一些復(fù)合材料、高分子材料進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的先例，但我國(guó)的太赫茲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)才剛起步，不僅難以實(shí)現(xiàn)快速成像，且缺少方便快捷的硬件設(shè)施，使得這一技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用大大受限。無(wú)論是理論研究還是技術(shù)改進(jìn)，都有很長(zhǎng)的一段路要走。但總體來(lái)講，太赫茲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)擁有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，隨著復(fù)合材料在航空航天、汽車(chē)制造業(yè)、電子以及體育用品等產(chǎn)業(yè)的廣泛應(yīng)用，必將開(kāi)拓更加寬廣的市場(chǎng)環(huán)境，作為一項(xiàng)新興的探測(cè)技術(shù)，也必將受到更多的重視，在不久的將來(lái)造福于人類(lèi)。