太赫兹波无损检测新技术及其应用

　　太赫兹(Terahertz,简称THz)波是指频率介于红外和微波之间的电磁波。在20世纪80年代中期以前,由于缺乏有效的产生方法和检测手段,科学家对该波段电磁辐射性质的了解非常有限。近年来超快激光技术的发展为THz波脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源,使THz辐射的研究蓬勃发展。由于THz波的独特性质,它在物理、生物、化学、生物制药、材料科学和电子工程等许多领域得到了应用。利用THz波技术对航天飞机隔离层泡沫材料中缺陷的成功探测使得THz波技术在无损检测领域异军突起,成为无损检测行业的新技术之一。

　　1　太赫兹辐射及其性质

　　THz辐射通常是指频率为10¹¹~10¹³Hz (波长为30μm~3 mm)的电磁波。THz波位于远红外波段。近年来自由电子激光器和超快激光技术的发展为THz波脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源,使THz辐射的产生机理、检测技术和应用技术的研究得到蓬勃发展。目前,世界上已有100多个研究小组从事有关THz辐射的研究,主要力量集中在美国、欧洲国家和日本。

　　THz辐射技术之所以引起人们广泛的关注,是由于THz电磁波有许多独特的优点,THz电磁波具有较低的光子能量。1 THz频率的光子能量只有4 meV ,因此不会如X射线(keV量级)那样在生物组织中产生有害的光致电离。④很多有机分子由于偶极子的振动和转动跃迁,在GHz~THz频段,都具有很强的吸收和色散,分子的这些光谱特征使得THz辐射鉴别成为可能。THz辐射测量是相干测量,即信号瞬时电场的强度和相位可以同时被测量,这样就可以通过对THz辐射进行时域探测,获得THz吸收光谱和色散光谱,得到被测物体更多信息THz时域光谱提供了非常高的信噪比,而且对黑体辐射(热背景)不敏感。

　　目前实验室常用THz辐射光源为利用电光晶体的光整流效应或光电导天线产生脉冲的THz辐射,此THz辐射具有较宽频谱,适于进行光谱测量。此外,THz辐射源还有自由电子激光器、气体激光器、耿氏(Gunn)振荡器、Bloch振荡器、冷等离子体沈京玲等:太赫兹波无损检测新技术及其应用NDT无损检测和量子级联激光器等。其中,耿氏振荡器可产生0.1 THz连续波辐射,是THz成像系统的理想光源。

　　THz辐射探测器主要有热辐射探测器(Bolom-eter)、热电探测器(Pyroelectric detector)、光电导偶极天线、电光晶体以及Schottky半导体管探测器。目前实验室最常用的是基于电光效应的电光晶体(如ZnTe)

　　2　太赫兹波检测的成功应用

　　由于THz波的独特优点,它在物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文、卫星通讯和军用雷达等方面具有重大的科学价值和广阔的应用前景。最典型的案例是探测航天飞机隔离层泡沫中的缺陷^[1] 。