基于太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的塑料檢測(cè)

陳思宏，韓旭，李麗娟，任姣姣，侯春鶴

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

基于太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的塑料檢測(cè)

陳思宏，韓旭，李麗娟，任姣姣，侯春鶴

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

基于太赫茲時(shí)域光譜檢測(cè)技術(shù)，建立透射式光學(xué)參數(shù)提取模型，推導(dǎo)出太赫茲波譜下材料折射率和吸收系數(shù)公式。搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(jìn)行了對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，太赫茲光譜技術(shù)可以有效提取三種塑料特征信息。這對(duì)利用太赫茲光譜技術(shù)檢測(cè)塑料制品有著重要的意義。

太赫茲時(shí)域光譜；塑料；折射率；吸收系數(shù)

隨著高分子材料科學(xué)技術(shù)的飛躍進(jìn)步，塑料的應(yīng)用得到進(jìn)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(yīng)用領(lǐng)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(zhǔn)確分辨其類別，因此對(duì)塑料制品特性檢測(cè)的需求也日益增加。目前國(guó)內(nèi)外主要采用近、中紅外波段光譜進(jìn)行探測(cè)，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(duì)于物質(zhì)的低頻信息并不敏感，定量分析時(shí)誤差大。并且目前大多數(shù)情況下近、中紅外波段光譜對(duì)物質(zhì)探測(cè)時(shí)只能獲得材料的輻射強(qiáng)度信息，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足實(shí)際需求［1］。因此亟待一種新的檢測(cè)方法來獲得塑料制品的更多相關(guān)信息。

太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)（Terahertz time-domain spectroscope technique，簡(jiǎn)稱THz-TDS）是近些年才發(fā)展起來的檢測(cè)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(shí)域信號(hào)，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(yùn)含著材料的物理化學(xué)特性，對(duì)它們進(jìn)行分析和計(jì)算，就可以得出相應(yīng)的介電常數(shù)、折射率、吸收系數(shù)等重要光學(xué)參數(shù)［2］。相對(duì)于其他探測(cè)方法，太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)的一個(gè)顯著的優(yōu)越性在于高信噪比，太赫茲脈沖寬度一般能達(dá)到皮秒級(jí)，從而可以明顯地消減背景噪聲。同時(shí)也使得太赫茲技術(shù)得以很好地獲取待測(cè)材料的低頻段信息，能夠迅速對(duì)材料的組成做出分析和鑒定，并進(jìn)一步對(duì)材料的內(nèi)部缺陷進(jìn)行定性乃至于定量分析［3］。能夠準(zhǔn)確的獲取材料光學(xué)參數(shù)對(duì)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(guó)內(nèi)對(duì)該技術(shù)的研究起步較晚，對(duì)太赫茲波段下各塑材的光學(xué)參數(shù)掌握還不夠充分，因此利用太赫茲技術(shù)研究一些塑料的光學(xué)特性對(duì)塑料的甄別及后續(xù)其他應(yīng)用具有一定的價(jià)值。

實(shí)驗(yàn)中選用了三種常見塑料ABS、PET和PMMA作為對(duì)象，利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)檢測(cè)樣品后得到的時(shí)域和頻域信息建立了折射率和吸收系數(shù)數(shù)學(xué)模型，并計(jì)算了三種不同塑料的折射率和吸收系數(shù)值［4］，對(duì)不同材料的光譜進(jìn)行對(duì)比分析。

1 光學(xué)參數(shù)提取模型

在太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)利用透射式方式對(duì)材料的光學(xué)參數(shù)進(jìn)行提取時(shí)，太赫茲脈沖的時(shí)域分布一般被記錄兩次，一次是沒有樣品時(shí)的采樣取得的參考信號(hào)，另外一次是對(duì)樣品的采樣得到的測(cè)量信號(hào)，記錄的時(shí)域分布對(duì)應(yīng)于太赫茲脈沖相關(guān)電場(chǎng)的時(shí)間依賴性［5］。

通常情況下用n?(ω)=n(ω)-jK(ω)表示復(fù)折射率，它用以描述樣品的宏觀光學(xué)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(píng)價(jià)材料對(duì)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(xué)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(duì)應(yīng)的關(guān)系［6］。將入射的太赫茲信號(hào)記做ETHZ(ω)。當(dāng)沒有樣品時(shí)，在線性介質(zhì)中傳播距離L后作為參考信號(hào)，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(hào)，記做Esam(ω)。

當(dāng)選用厚度大的樣品時(shí)，通過合理的選取窗口，使得區(qū)間內(nèi)只有一個(gè)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(dá)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(jì)算公式［8］：

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

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及樣品

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

使用太赫茲時(shí)域光譜探測(cè)系統(tǒng)T-Ray5000搭建透射式檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該系統(tǒng)產(chǎn)生的飛秒脈沖中心波長(zhǎng)為800nm，脈寬為100fs，重復(fù)頻率為1kHz［9］。在透射式檢測(cè)平臺(tái)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(shí)間延遲系統(tǒng)后激勵(lì)THz發(fā)射元件而產(chǎn)生太赫茲電磁波；另一束作為探測(cè)光，與泵浦光匯合后共線通過探測(cè)元件，用來獲得實(shí)時(shí)電場(chǎng)振幅。接收器和發(fā)射器分別放置在被測(cè)材料兩端，由發(fā)射器發(fā)出太赫茲波穿過被測(cè)物體后使用鎖相放大器進(jìn)行采集測(cè)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.2 實(shí)驗(yàn)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(duì)苯二甲酸乙二醇酯）在較寬的溫度范圍內(nèi)電氣機(jī)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(jī)玻璃，具有良好的透明性、化學(xué)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(diǎn)，是一種質(zhì)地優(yōu)異價(jià)格適宜的透明材料。實(shí)驗(yàn)中所選用的三種塑料均由北京塑料研究所提供。實(shí)驗(yàn)樣品如圖2所示，從左到右分別是ABS、PET、PMMA，使用千分尺測(cè)得樣品的厚度分別為5.00mm、5.02mm、4.99mm，長(zhǎng)度和寬度均為5×5cm。

圖2 ABS、PET、PMMA塑料樣品圖

3 實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果

實(shí)驗(yàn)是在溫度20℃，相對(duì)濕度＜20%的條件下對(duì)三種塑料進(jìn)行透射式檢測(cè)，每種樣品均重復(fù)測(cè)量8次，并通過調(diào)整設(shè)備，保證探測(cè)光入射角為90±1°。所采用的參考信號(hào)為該條件下的空氣，實(shí)驗(yàn)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(shí)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(hào)而言，透過被測(cè)塑料樣品的太赫茲波出現(xiàn)了不同的時(shí)間延遲［11］。而且通過塑料制品后的太赫茲波振幅相對(duì)于參考信號(hào)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(shí)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(hào)的太赫茲頻域譜，在0.2～1.5THz波段中，三種樣品有較強(qiáng)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(yán)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(jì)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(shí)驗(yàn)中三種塑料的平均折射率PMMA＜ABS＜PET，而根據(jù)相關(guān)資料提供的各塑材參數(shù)，在溫度為20℃時(shí)，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(shí)際折射率與實(shí)驗(yàn)所得基本符合。該結(jié)果表明，對(duì)于三種不同材料所制成塑料樣品，可以利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)來進(jìn)行檢測(cè)并計(jì)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(cè)量樣品的折射率從而對(duì)塑料進(jìn)行識(shí)別。

根據(jù)公式（10）可以計(jì)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(duì)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(gè)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(shí)驗(yàn)材料會(huì)對(duì)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(dǎo)致太赫茲探測(cè)器不能夠在全頻段內(nèi)對(duì)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(cè)試系統(tǒng)的可檢測(cè)動(dòng)態(tài)范圍。目前太赫茲寬帶動(dòng)態(tài)接收器的相關(guān)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(shí)域光譜技術(shù)，詳細(xì)討論了使用透射太赫茲波對(duì)塑料制品的折射率和吸收系數(shù)光學(xué)參數(shù)提取的方法。搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)三種常見塑料進(jìn)行了檢測(cè)，分析塑料制品的時(shí)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(shì)。由于不同塑料制品光學(xué)特性的不同，導(dǎo)致相關(guān)物理信息存在差異，主要區(qū)別在于：（1）在時(shí)域譜中樣品厚度基本一致情況下，材料折射率和材料對(duì)波的吸收能力的不同導(dǎo)致了時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)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(xué)參數(shù)。利用測(cè)得的光學(xué)參數(shù)可作為區(qū)分塑料的指標(biāo)，為今后使用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)鑒定塑料制品成分及進(jìn)行塑料生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)控?zé)o損檢測(cè)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(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)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