陳思宏，韓旭，李麗娟，任姣姣，侯春鶴

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

基于太赫茲時域光譜技術的塑料檢測

陳思宏，韓旭，李麗娟，任姣姣，侯春鶴

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

基于太赫茲時域光譜檢測技術，建立透射式光學參數(shù)提取模型，推導出太赫茲波譜下材料折射率和吸收系數(shù)公式。搭建實驗平臺，得到了室溫環(huán)境下ABS、PET和PMMA三種塑料樣品在0.2～1.5THz區(qū)間的折射率和吸收系數(shù)，并進行了對比分析。實驗結(jié)果表明，太赫茲光譜技術可以有效提取三種塑料特征信息。這對利用太赫茲光譜技術檢測塑料制品有著重要的意義。

太赫茲時域光譜；塑料；折射率；吸收系數(shù)

隨著高分子材料科學技術的飛躍進步，塑料的應用得到進一步深化，目前，塑料已發(fā)展到300余種，最常用的塑料也有十幾種，盡管它們彼此之間應用領域、結(jié)晶形態(tài)、硬度和透光性等特性均存在差異，但是有些塑料直觀上仍無法準確分辨其類別，因此對塑料制品特性檢測的需求也日益增加。目前國內(nèi)外主要采用近、中紅外波段光譜進行探測，獲得的塑料光譜圖可以有效確定聚合物的類型或鑒別所產(chǎn)生的特征峰。然而紅外光譜對于物質(zhì)的低頻信息并不敏感，定量分析時誤差大。并且目前大多數(shù)情況下近、中紅外波段光譜對物質(zhì)探測時只能獲得材料的輻射強度信息，遠遠無法滿足實際需求［1］。因此亟待一種新的檢測方法來獲得塑料制品的更多相關信息。

太赫茲時域光譜技術（Terahertz time-domain spectroscope technique，簡稱THz-TDS）是近些年才發(fā)展起來的檢測方法，是利用太赫茲脈沖在樣品表面發(fā)生反射或透射通過樣品后所產(chǎn)生的時域信號，再經(jīng)過傅里葉變換的方式，從而獲得太赫茲在頻域上的振幅及相位的變化量。振幅和相位的變化量中蘊含著材料的物理化學特性，對它們進行分析和計算，就可以得出相應的介電常數(shù)、折射率、吸收系數(shù)等重要光學參數(shù)［2］。相對于其他探測方法，太赫茲時域光譜系統(tǒng)的一個顯著的優(yōu)越性在于高信噪比，太赫茲脈沖寬度一般能達到皮秒級，從而可以明顯地消減背景噪聲。同時也使得太赫茲技術得以很好地獲取待測材料的低頻段信息，能夠迅速對材料的組成做出分析和鑒定，并進一步對材料的內(nèi)部缺陷進行定性乃至于定量分析［3］。能夠準確的獲取材料光學參數(shù)對探究太赫茲波段下各材料特性來說是極為重要的，但是目前國內(nèi)對該技術的研究起步較晚，對太赫茲波段下各塑材的光學參數(shù)掌握還不夠充分，因此利用太赫茲技術研究一些塑料的光學特性對塑料的甄別及后續(xù)其他應用具有一定的價值。

實驗中選用了三種常見塑料ABS、PET和PMMA作為對象，利用太赫茲時域光譜技術檢測樣品后得到的時域和頻域信息建立了折射率和吸收系數(shù)數(shù)學模型，并計算了三種不同塑料的折射率和吸收系數(shù)值［4］，對不同材料的光譜進行對比分析。

1 光學參數(shù)提取模型

在太赫茲時域光譜系統(tǒng)利用透射式方式對材料的光學參數(shù)進行提取時，太赫茲脈沖的時域分布一般被記錄兩次，一次是沒有樣品時的采樣取得的參考信號，另外一次是對樣品的采樣得到的測量信號，記錄的時域分布對應于太赫茲脈沖相關電場的時間依賴性［5］。

通常情況下用n?(ω)=n(ω)-jK(ω)表示復折射率，它用以描述樣品的宏觀光學品質(zhì)，其中，n(ω)表征折射率，主要用于反映材料色散性能，K(ω)為消光系數(shù)，用于評價材料對光的吸收能力，并用α(ω)=2ωK(ω)/c表示樣品的吸收系數(shù)。在光學參數(shù)提取過程中，最主要的目的就是獲得樣品在太赫茲波段下的折射率n(ω)和吸收系數(shù)α(ω)，從而得到折射率和吸收系數(shù)分別與不同頻率所對應的關系［6］。將入射的太赫茲信號記做ETHZ(ω)。當沒有樣品時，在線性介質(zhì)中傳播距離L后作為參考信號，記做Eref(ω)，則有；

透射過樣品后便成為包含有樣品信息的樣品信號，記做Esam(ω)。

當選用厚度大的樣品時，通過合理的選取窗口，使得區(qū)間內(nèi)只有一個主脈沖波形，即為k=0，F(xiàn)P(ω)=1［7］。有：

n?b(ω)=nb(ω)-jKb(ω)代入上式，且H(ω)化為模和輻角的形式：

則有表達式：

如果所研究的樣品在太赫茲波段區(qū)間吸收較弱，有Kb?nb：

由此得到了樣品的折射率，吸收系數(shù)的計算公式［8］：

由獲得的樣品折射率和吸收系數(shù)，還可以進一步推導出反映材料性質(zhì)的其他常用的光學特性參量，如介電常數(shù)等。

2 實驗平臺及樣品

2.1 實驗平臺的搭建

使用太赫茲時域光譜探測系統(tǒng)T-Ray5000搭建透射式檢測實驗平臺，該系統(tǒng)產(chǎn)生的飛秒脈沖中心波長為800nm，脈寬為100fs，重復頻率為1kHz［9］。在透射式檢測平臺中，由飛秒激光脈沖經(jīng)分束鏡后分為兩束：一束作為泵浦光，經(jīng)過時間延遲系統(tǒng)后激勵THz發(fā)射元件而產(chǎn)生太赫茲電磁波；另一束作為探測光，與泵浦光匯合后共線通過探測元件，用來獲得實時電場振幅。接收器和發(fā)射器分別放置在被測材料兩端，由發(fā)射器發(fā)出太赫茲波穿過被測物體后使用鎖相放大器進行采集測定并將數(shù)據(jù)傳遞給工作站，從而獲得波譜信息［10］。

圖1 透射式太赫茲系統(tǒng)實驗平臺

2.2 實驗樣品

ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）是一種三元共聚物，其抗沖擊性、耐熱性、耐低溫性及電氣性能優(yōu)良，通常為淺黃色或乳白色的非結(jié)晶性樹脂。PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯）在較寬的溫度范圍內(nèi)電氣機械性能、尺寸穩(wěn)定性、耐磨耐溫及阻燃性等方面具有出色的表現(xiàn)，是乳白色或淺黃色、高度結(jié)晶的聚合物。PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯），俗稱有機玻璃，具有良好的透明性、化學穩(wěn)定性和耐候性，并兼具易染色、易加工、外觀優(yōu)美等特點，是一種質(zhì)地優(yōu)異價格適宜的透明材料。實驗中所選用的三種塑料均由北京塑料研究所提供。實驗樣品如圖2所示，從左到右分別是ABS、PET、PMMA，使用千分尺測得樣品的厚度分別為5.00mm、5.02mm、4.99mm，長度和寬度均為5×5cm。

圖2 ABS、PET、PMMA塑料樣品圖

3 實驗分析結(jié)果

實驗是在溫度20℃，相對濕度＜20%的條件下對三種塑料進行透射式檢測，每種樣品均重復測量8次，并通過調(diào)整設備，保證探測光入射角為90±1°。所采用的參考信號為該條件下的空氣，實驗結(jié)果及分析如下。

圖3（a）是太赫茲光波透過三種塑料樣品及空氣后的太赫茲時域譜。由公式Δ=nl可知，由于太赫茲波在三種塑料樣品中的折射率明顯大于在空氣中的折射率，因此較參考信號而言，透過被測塑料樣品的太赫茲波出現(xiàn)了不同的時間延遲［11］。而且通過塑料制品后的太赫茲波振幅相對于參考信號存在較為明顯的衰減，且每種樣品幅值下降各不相同，在PET中幅值下降最明顯，表明太赫茲脈沖在PET樣品中的損耗最大。

圖3 THz波透過空氣和塑料的時域及頻域光譜

圖3（b）是在經(jīng)過快速傅里葉變換后所得的樣品及參考信號的太赫茲頻域譜，在0.2～1.5THz波段中，三種樣品有較強的吸收，而在0～0.2THz和1.5～5THz頻域內(nèi)背景噪聲干擾較為嚴重，因此主要在0.2～1.5THz區(qū)間提取塑料的折射率和吸收系數(shù)。

圖4 太赫茲波段下三種塑料的折射率和吸收系數(shù)譜

根據(jù)公式（9）可以計算出ABS，PET，PMMA三者在0.2～1.5THz波段下的折射率，圖4（a）所示為三種塑料樣品的折射率譜，從折射率圖譜可以明確觀察到，在0.2～1.5THz區(qū)間內(nèi)，它們的折射率較為穩(wěn)定。其中，PMMA平均折射率為1.49，PET平均折射率為1.64，ABS的平均折射率為1.56，實驗中三種塑料的平均折射率PMMA＜ABS＜PET，而根據(jù)相關資料提供的各塑材參數(shù)，在溫度為20℃時，三種常用塑料的折射率分別為PMMA=1.49，ABS=1.66，PET=1.56，同樣也滿足PMMA＜ABS＜PET，且實際折射率與實驗所得基本符合。該結(jié)果表明，對于三種不同材料所制成塑料樣品，可以利用太赫茲時域光譜技術來進行檢測并計算其折射率。同樣，在各塑料折射率值已知的情況下，也可以通過測量樣品的折射率從而對塑料進行識別。

根據(jù)公式（10）可以計算出ABS，PET，PMMA三種塑料的吸收系數(shù)。三種塑料制品吸收系數(shù)在0.2～1.5THz區(qū)間內(nèi)變化情況如圖4（b）所示，從圖像的對比中可觀察到三者吸收系數(shù)圖譜既有相似又有區(qū)別。相似之處在于它們都經(jīng)歷了吸收系數(shù)先升后降的過程，存在一個明顯的吸收系數(shù)峰值；不同之處在于三者吸收峰值位置和高度有所不同，其中PET在0.5THz，PMMA在0.6THz，ABS在0.7THz處有最高的吸收系數(shù)，而且三者峰值處吸收系數(shù)PMMA＜ABS＜PET，也就是說不同的實驗材料會對吸收系數(shù)峰值位置和大小產(chǎn)生影響。根據(jù)Peter Uhd Jepsen和Bernd M.Fischer的理論，峰值出現(xiàn)的原因是由于多數(shù)材料只能在一定范圍內(nèi)有效吸收太赫茲光子，導致太赫茲探測器不能夠在全頻段內(nèi)對任意入射頻率具有完美吸收，從而產(chǎn)生低頻段處吸收系數(shù)比理論值偏低的效果［12］。該問題的解決取決于能否有效提高測試系統(tǒng)的可檢測動態(tài)范圍。目前太赫茲寬帶動態(tài)接收器的相關研究仍然是較為前沿的理論，有待于繼續(xù)探究［13］。

4 結(jié)論

利用太赫茲時域光譜技術，詳細討論了使用透射太赫茲波對塑料制品的折射率和吸收系數(shù)光學參數(shù)提取的方法。搭建了實驗平臺，對三種常見塑料進行了檢測，分析塑料制品的時域、頻域波譜（功率密度譜），并得出各塑料制品吸收系數(shù)和折射率在0.2～1.5THz區(qū)間內(nèi)的變化趨勢。由于不同塑料制品光學特性的不同，導致相關物理信息存在差異，主要區(qū)別在于：（1）在時域譜中樣品厚度基本一致情況下，材料折射率和材料對波的吸收能力的不同導致了時間延遲和幅值衰減程度的不同；（2）折射率：三種塑料的平均折射率PMMA＜ABS＜PET；（3）吸收系數(shù)：三者在0.2～1.5THz波段的吸收系數(shù)譜存在差異，主要體現(xiàn)在吸收峰高度和位置的不同。由實驗結(jié)果可知，太赫茲時域光譜技術可以提取太赫茲波段下塑料制品的折射率、吸收系數(shù)等光學參數(shù)。利用測得的光學參數(shù)可作為區(qū)分塑料的指標，為今后使用太赫茲時域光譜技術鑒定塑料制品成分及進行塑料生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)控無損檢測提供了有效的方法和參考依據(jù)。

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Research on Plastic Detection Based on Terahertz Time Domain Spectroscopy

CHEN Sihong，HAN Xu，LI Lijuan，REN Jiaojiao，HOU Chunhe
（School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Based on terahertz time domain spectroscopy，the parameter extraction model is established，and the refractive index and absorption coefficient of the material are deduced.By building the experimental platform，the refractive index and absorption coefficient of ABS，PET and PMMA in the range of 0.2～1.5THz were compared.The experimental show that terahertz spectroscopy can effectively extract three kinds of plastic feature information.It has important significance to detect Plastics utilizing terahertz spectroscopy.

terahertz time-domain spectroscopy；plastics；refractive index；absorption coefficient

O433.4

A

1672-9870（2017）05-0013-04

2017-03-31

國家863計劃資助項目（JSZL2015411C002）

陳思宏（1992-），男，碩士研究生，E-mail：3214948408@qq.com

李麗娟（1972-），女，教授，博士，E-mail：custjuan@126.com