基于太赫茲技術(shù)研究和分析ABS中的衰減函數(shù)

徐帆+田永紅+王曉冬+苗昕揚(yáng)+趙昆

摘要：利用太赫茲光譜技術(shù)對(duì)3D打印機(jī)打印的不同厚度ABS樣品進(jìn)行透射實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)樣品的厚度與延遲時(shí)間呈線性變化，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)厚度與峰值存在一定的指數(shù)關(guān)系。通過(guò)函數(shù)擬合和菲涅爾公式的光學(xué)參數(shù)模型，構(gòu)建出了太赫茲波在ABS中衰減函數(shù)。

關(guān)鍵詞：太赫茲光譜技術(shù)；ABS；衰減函數(shù)

0 引言

ABS 樹(shù)脂是由丙烯腈（ A ）、丁二烯（ B）和苯乙烯（ S） 三種單體共聚而成的熱塑性聚合物，它是介于通用塑料和工程塑料之間的一種高分子材料，近年來(lái) ，ABS 材料大量的應(yīng)用于電子電器、汽車、器具及輕工產(chǎn)品。

太赫茲時(shí)域光譜（terahertz time-domainspectroscopy，簡(jiǎn)稱 THz-TDS）技術(shù)是基于超快激光的遠(yuǎn)紅外波段光譜測(cè)量新技術(shù)，正因?yàn)樘掌澆ㄎ挥谶h(yuǎn)紅外波段，所以它的光子能量較低，對(duì)某些非極性物質(zhì)它的穿透性高，不會(huì)引起物質(zhì)發(fā)生光致電離而破壞物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的。為了實(shí)驗(yàn)的需求，我們結(jié)合3D打印技術(shù)與太赫茲光譜技術(shù)，其中3D打?。ㄓ址Q增材制造）在制造方式上具有的顯著優(yōu)勢(shì)，它可以有效幫助自己打印各種不同的ABS制品，例如各種厚度均勻的外殼和各種不同大小的樣品槽。在塑料制品缺陷評(píng)價(jià)方面，3D打印作為一種技術(shù)輔助手段可以很好的探討太赫茲波在ABS中的衰減過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)裝置

試驗(yàn)中采用的3D打印機(jī)規(guī)格是da Vinci 2.0 Duo，打印機(jī)使用的熔絲制造法（FFF）打印技術(shù)；打印機(jī)的噴頭直徑為0.4mm，打印范圍15*20*20cm，打印機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)分辨率是200microns，耗材直徑：1.75mm，采用的操作軟件是XYZware（可識(shí)別文件格式.stl）。？da Vinci 2.0 Duo采用全新雙噴頭設(shè)計(jì)，打印作品不受單色打印的限制，可一次呈現(xiàn)兩種顏色，方便快速成型，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1左圖所示。打印機(jī)的原廠耗材使用的是ABS，其優(yōu)異的物理特性及成色，讓打印成品具堅(jiān)固以及二次加工容易與色澤最飽和等特性。

試驗(yàn)中采用的透射式 THz-TDS 系統(tǒng)是由中國(guó)的大恒光電研制的，其信噪比為 1000 dB，譜分辨率超過(guò) 40 GHz。利用該系統(tǒng)做實(shí)驗(yàn)時(shí)是在室溫下（約 292 K）進(jìn)行的，THz 光路罩在充有氮?dú)獾南潴w內(nèi)，箱內(nèi)相對(duì)濕度為 4.0%。利用該系統(tǒng)

可以測(cè)試3D打印的ABS樣品的不同厚度的THz 時(shí)域光譜。

2實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和

用proe軟件設(shè)計(jì)好臺(tái)階模型，其整體尺寸是40mm*18mm*8mm，小臺(tái)階的高度差是0.5mm，其長(zhǎng)寬是12mm*10mm。用proe設(shè)計(jì)好模型后將其導(dǎo)出，以一定的文件格式保存，然后導(dǎo)入到3D打印機(jī)專用的軟件XYZware中，設(shè)置好打印機(jī)的各種參數(shù)后就可以打印出我們需要的臺(tái)階模型。將打印好的樣品進(jìn)行拋光處理后放到太赫茲光譜儀上進(jìn)行透射實(shí)驗(yàn)，得到了一系列關(guān)于不同厚度的光譜圖，利用MATLAB程序分別提取其對(duì)應(yīng)的延遲時(shí)間和波峰的峰值。

隨著厚度的增加，其峰值對(duì)應(yīng)的延遲逐漸變大；利用origin中擬合函數(shù)模型對(duì)d與t進(jìn)行線性擬合，其擬合度高達(dá)0.998，說(shuō)明隨著厚度d的增加，它與時(shí)間t之間存在著線性關(guān)系。下圖是d與信號(hào)峰值EP之間的變化趨勢(shì)，其中散點(diǎn)是對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，黑色實(shí)體線是擬合直線。由圖中可以看出，隨著d的增加，太赫茲信號(hào)的峰值信號(hào)在逐漸減小，但與深度d之間并不存在明顯的線性關(guān)系，用e指數(shù)對(duì)其進(jìn)行擬合其擬合度最高，到達(dá)了0.994，這是其它擬合函數(shù)或者建模函數(shù)無(wú)法達(dá)到的。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與探討

由飛秒激光器激發(fā)光電導(dǎo)體產(chǎn)生的太赫茲波通過(guò)均勻的高分子材料ABS時(shí)，峰值對(duì)應(yīng)的延遲時(shí)間t與厚度d存在線性關(guān)系。也就是說(shuō)太赫茲波在單一介質(zhì)傳播，其傳播速度幾乎保持不變。峰值EP與厚度d存在著e指數(shù)的變化規(guī)律，也就是說(shuō)太赫茲波的能量隨著厚度d呈現(xiàn)e指數(shù)的衰減。

在處理光學(xué)相關(guān)的問(wèn)題時(shí)，提取光學(xué)參數(shù)時(shí)主要用到的是菲涅爾公式的參數(shù)模型。該模型主要提取折射率和振幅模比等光學(xué)參數(shù)，分別描述樣品的吸收和色散以及折射特性。在標(biāo)準(zhǔn)的空氣環(huán)境中傳播距離d 后，得到參考信號(hào) Er（？），通過(guò)樣品后信號(hào)為 Es（？），其帶有樣品的信息。

擬合曲線模式中的A對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)處理模型中的A（？），y0對(duì)應(yīng)著太赫茲波透過(guò)距離趨近無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)空氣參考后的信號(hào)強(qiáng)度，R0d對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)處理模型中的？（ω）；同時(shí)折射率n與f、c、v和？之間也存在一定的關(guān)系，經(jīng)過(guò)變換后得到R_0=（（n-1）"？" ）/c，這樣就得到太赫茲波在ABS中傳播時(shí)其折射率、頻率以及光速之間比例關(guān)系。

4 現(xiàn)象總結(jié)

利用MATLAB程序提取太赫茲時(shí)域光譜信號(hào)中峰值和延遲時(shí)間，分析不同厚度ABS樣品與時(shí)域波形的最大值、樣品信號(hào)峰值對(duì)應(yīng)的的延遲時(shí)間關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：不同厚度的ABS制品的時(shí)域信號(hào)相對(duì)于參照空氣中的信號(hào)都有一定的幅值衰減和時(shí)間延遲；隨著ABS樣品厚度的增加，樣品厚度d與t表現(xiàn)出了明顯的線性關(guān)系；同時(shí)隨著厚度d的增加，時(shí)域波形峰值EP總體呈現(xiàn)e指數(shù)衰減，這樣就與菲涅爾公式的光學(xué)參數(shù)模型一樣，即光波能量隨著距離在相對(duì)均勻的介質(zhì)中以e指數(shù)的形式衰減。

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