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、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。

太赫茲無損檢測原理基于太赫茲波譜的無損探傷技術，與其他傳統的檢測手段相比，具有許多獨特的優點。在非金屬、非極性材料的檢測方面，太赫茲波不僅可以透過不透明材料探測材料內部的雜質、位錯、微裂紋、纖維分層、纖維與基體界面開裂、纖維卷曲、富膠或貧膠、孔洞、脫膠以及氧化等缺陷，還可代替紅外應用在絕熱材料和熱敏感材料的檢測中。并且由于太赫茲波的低能性，不會對被檢材料造成結構上的破壞，也不會產生對人體有害的輻射。超聲波檢測在探測時必須與被檢測對象接觸，且在某些材料中，聲波衰減率很大，利用超聲波對此類材料進行探傷十分困難，而太赫茲波無損檢測方法對這些材料仍然可行，且可在不接觸被測材料的情況下對其進行無損探傷，因此可將太赫茲無損檢測作為一種互補手段，針對復合材料、高分子材料進行檢測。太赫茲無損檢測技術是在太赫茲波譜技術的基礎上建立起來的。太赫茲波譜技術主要分為太赫茲時域波譜、太赫茲時間分辨波譜和太赫茲發射波譜3種，下面將以太赫茲時域波譜系統(Terahertz-Time Domain Spectra，THz-TDS)為例概述其檢測原理。THz-TDS技術是一種可以同時獲得太赫茲脈沖的相位和振幅的相干檢測技術，經典光路包括透射型光路、反射型光路、差異型光路、啁啾展寬型光路4種。基于THz-TDS系統的掃描成像可分為透射型掃描和反射型掃描兩種方式，下面簡要介紹其成像原理。

THz-TDS掃描成像系統具體光路如圖1所示。由脈沖激光器發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。

太赫茲無損檢測應用

近年來，復合材料領域迅猛發展，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節，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節開始發生破壞。

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，可以在上述各個環節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。

太赫茲波對高分子材料的特殊性質，使得太赫茲無損檢測技術可以應用在高分子材料、復合材料內部及表面缺陷的檢測中。國內外對太赫茲無損檢測技術在復合材料檢測方面已有成功案例，但總體來講，太赫茲無損檢測技術剛剛起步，許多難關還有待攻克。下面以噴涂泡沫絕緣材料(Sprayed-On Foam Insulation，SOFI)聚氨酯泡沫、聚甲基丙烯酰亞胺(Polymethacrylimide，PMI)泡沫、碳纖維/環氧樹脂復合材料為實例簡述太赫茲無損探傷在復合材料無損檢測方面的應用。航天飛機SOFI泡沫太赫茲無損檢測2003年2月1日美國哥倫比亞號航天飛機在完成航行任務返回地球的過程中發生爆炸，機上7名宇航員全部罹難。美國國家航空和航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)的專家經調查初步判斷，事故原因為哥倫比亞號所攜帶的外掛式燃料箱的一塊SOFI絕熱泡沫板脫落撞擊到機翼，導致飛機外殼受損。該絕熱泡沫是將聚氨酯噴涂在鋁制底板上，然后發泡成型為高強度的絕熱層，在噴涂及發泡的過程中，可能會出現空洞和脫膠現象，而這很有可能正是哥倫比亞號航天飛機失事的根本原因。利用太赫茲無損探傷手段對SOFI泡沫進行無損探傷，可以有效地檢測泡沫成型過程中及成型后材料的內部以及與底板接觸面的缺陷情況，從而避免缺陷的產生或尋找有效的解決辦法。為了確保今后航天飛機的安全發射，NASA聯合外掛式燃料箱生產廠家做了一系列研究，他們人為地在SOFI泡沫樣品中設置了大小為6.36~50.8 mm、埋藏深度為6.36~228.6 mm的缺陷，這些缺陷在鋁制底板上、縱桁和凸緣的邊緣地帶或底端均有分布。研究人員從頂部和側面將太赫茲波脈沖入射到樣品內，并記錄其反射波，成功探測到57個缺陷中的49個。

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。

圖2所示的是試驗過程中使用的成像裝置和SOFI泡沫樣品。泡沫樣品的形貌如圖3所示，對其進行成像，可在成像結果上清晰呈現出泡沫樣品的外形特征，并且其內部情況也能夠被有效檢測。圖4即為SOFI泡沫樣品的太赫茲成像結果。試驗結果證明，太赫茲波可以有效對SOFI泡沫進行成像，其表面特征可以清晰地反映在圖像當中，這為將基于太赫茲成像技術的太赫茲無損檢測應用于泡沫的無損檢測中提供了可能。

太赫茲無損探傷技術在SOFI絕熱泡沫內部缺陷檢測中的成功應用，充分說明了基于太赫茲波譜的復合材料無損探傷技術是可行并有無限發展前景的，也正因為這一成功的應用案例，使得NASA認定太赫茲無損探傷技術為將來應用到航空航天無損探測領域的四大技術之一。PMI泡沫的太赫茲無損檢測除聚氨酯泡沫外，在航天航空領域具有很高應用價值的還有PMI泡沫。PMI泡沫為100%閉孔泡沫材料，常應用于運載火箭整流罩及殼體、機翼的填充層等，也曾被應用在日本新干線的火車頭，通用、西門子等公司的醫療床板，Vestas的風力發電機葉片當中。圖5所示的是用于發泡成PMI泡沫成品的聚甲基丙烯酰亞胺預聚體，在發泡劑和高溫的發泡條件下可制備成如圖6所示的大尺寸PMI泡沫材料。在制備的過程中可能出現空洞、夾層、雜質等現象，這與聚氨酯泡沫十分類似。此外由于PMI泡沫為絕緣體，極易產生靜電，從而導致膠層與泡沫結合不牢固，在使用過程中很有可能造成脫膠，并最終導致嚴重后果。可以利用太赫茲波對其內部缺陷進行檢測，其探傷原理和設備也可根據聚氨酯泡沫進行改進。

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在成像效果圖當中。

目前，國內對PMI泡沫的應用才剛剛起步，這也就意味著利用太赫茲對PMI泡沫進行無損探傷的技術也將隨著PMI的興起得到更加廣闊的應用空間和市場前景。 碳纖維復合材料的太赫茲無損檢測纖維復合材料具有可觀的比強度，已被廣泛應用于航空、航海和汽車制造等行業。碳纖維復合材料作為纖維復合材料的典型代表，在飛行器制造、汽車以及體育用品等領域的應用最為廣泛。它是以碳纖維作為骨架，以樹脂作為填充材料制成的，具有質輕、高強度、高模量的特點。碳纖維/樹脂基復合材料的破壞形式主要包括基體斷裂、纖維斷裂、纖維脫粘、纖維拔出、裂紋擴展與偏轉，其破壞機制往往是以上5種基本破壞形式的組合和綜合體現。纖維作為增強體加入到樹脂基體中時，其斷裂強度要遠高于基體數值的斷裂強度，因此纖維/樹脂基復合材料最理想的破壞形式是纖維斷裂，當以這種形式使材料發生破壞時，材料的斷裂強度最高，能夠使材料的力學性能發揮到最好。如果基體樹脂中存在微裂紋，在纖維/樹脂復合體系受到外應力作用時，微裂紋將發生擴展，隨后將會發生基體斷裂、纖維脫粘以及纖維拔出。為了保證碳纖維/環氧樹脂復合材料具有較好的力學性能，有必要對其進行缺陷檢測。除前文提到過的幾種缺陷形式會使碳纖維復合材料的使用性能降低外，當使用溫度超過200 ℃時，碳纖維極易發生破壞。圖9是利用TDS系統對經過表面灼燒處理的碳纖維/環氧樹脂復合材料反射模式成像結果，其分辨力為1 mm。試驗表明，太赫茲能夠對碳纖維復合材料表面灼燒缺陷進行有效檢測。

施長城等應用太赫茲時域光譜技術對碳纖維增強復合材料的內部缺陷進行了檢測，并成功獲得了其透射光譜圖像。試驗結果顯示，太赫茲透射成像技術可以有效檢測到碳纖維復合材料中的缺陷。但由于碳纖維的排布會導致復合材料各方面性質的各向異性，因此太赫茲脈沖透射碳纖維被測樣品的能力與纖維排布方向有很大關系。通常碳纖維會更多地吸收和反射一部分太赫茲信號，導致透過樣品的脈沖強度較弱，利用透射成像進行探測的難度也相應增加。尋找新的太赫茲信號與圖像處理方法能夠有效提高透射成像的空間分辨力，為開發更加高效可靠的太赫茲復合材料無損檢測技術提供技術支持。其他材料的太赫茲無損檢測2012年Roth等利用計算機輔助太赫茲斷層掃描技術對體積為0.0283 m3的航天飛機外掛燃料箱保護系統絕熱泡沫材料進行無損檢測，結果表明太赫茲計算機斷層掃描技術對10~50 mm的空隙以及撞擊破壞缺陷檢測效果良好。但是由于泡沫材料的微氣泡結構尺寸可能與太赫茲波長在同一數量級，容易產生強烈的散射效應，影響太赫茲脈沖的傳播，這將給檢測理論研究帶來一定的困難。2010年，Quast運用SynView公司生產的連續太赫茲成像系統對泡沫進行成像，試驗證明利用三維電場太赫茲成像技術在230~320 THz頻率下可以檢測出預置的人工缺陷。2010年，Jördens等利用THz-TDS技術在0.1~1 THz的頻率范圍內對玻璃纖維走向以及纖維含量進行了測量與分析，用Polder與Van Santen建立的方法對添加劑含量、最佳纖維取向及其百分比進行了推算，推算結果與商業軟件得出的結果十分吻合。2012年，Nezadal等在220~325 GHz的低太赫茲頻段對玻璃纖維增強塑料進行綜合孔徑雷達成像試驗分析，檢測大小不同、深度不同的人為預置缺陷，能檢測到的最小缺陷直徑為0.8 mm。2012及2013年，Im等對碳纖維/熱塑性聚苯硫的復合材料板進行了太赫茲透射光譜與反射光譜的檢測試驗，發現碳纖維復合材料的導電性與增強纖維的單向排列有關。太赫茲探傷技術不僅可以應用在泡沫結構和纖維增強復合材料的缺陷檢測上，而且可以應用在其他關鍵材料和結構的檢測中。2011年，Owens等利用太赫茲反射成像技術對陶瓷復合材料進行無損檢測(分辨力小于 1 mm)， 他們的試驗證明該項技術能夠解釋材料因機械和熱應變而導致太赫茲圖像變化。2013年，Trafela等運用THz-TDS技術對250張16世紀的紙張進行了波譜采集，并將采集結果進行數學建模，運用偏最小二乘法對木素含量、抗拉強度和灰分含量進行了建模，他們發現，所建模型對灰分含量預測效果最好，校正集的決定系數為0.87，預測集的決定系數為0.82，這項研究表明了太赫茲波譜技術在大分子物質定量分析領域的潛力，也可將該項技術應用于古物的無損檢測。

結 論

近年來，美國等發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點，隨著復合材料在航空航天、汽車制造業、電子以及體育用品等產業的廣泛應用，必將開拓更加寬廣的市場環境，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。