基于太赫兹时域光谱技术的塑料检测

陈思宏，韩旭，李丽娟，任姣姣，侯春鹤

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

基于太赫兹时域光谱技术的塑料检测

陈思宏，韩旭，李丽娟，任姣姣，侯春鹤

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

基于太赫兹时域光谱检测技术，建立透射式光学参数提取模型，推导出太赫兹波谱下材料折射率和吸收系数公式。搭建实验平台，得到了室温环境下ABS、PET和PMMA三种塑料样品在0.2～1.5THz区间的折射率和吸收系数，并进行了对比分析。实验结果表明，太赫兹光谱技术可以有效提取三种塑料特征信息。这对利用太赫兹光谱技术检测塑料制品有着重要的意义。

太赫兹时域光谱；塑料；折射率；吸收系数

随着高分子材料科学技术的飞跃进步，塑料的应用得到进一步深化，目前，塑料已发展到300余种，最常用的塑料也有十几种，尽管它们彼此之间应用领域、结晶形态、硬度和透光性等特性均存在差异，但是有些塑料直观上仍无法准确分辨其类别，因此对塑料制品特性检测的需求也日益增加。目前国内外主要采用近、中红外波段光谱进行探测，获得的塑料光谱图可以有效确定聚合物的类型或鉴别所产生的特征峰。然而红外光谱对于物质的低频信息并不敏感，定量分析时误差大。并且目前大多数情况下近、中红外波段光谱对物质探测时只能获得材料的辐射强度信息，远远无法满足实际需求［1］。因此亟待一种新的检测方法来获得塑料制品的更多相关信息。

太赫兹时域光谱技术（Terahertz time-domain spectroscope technique，简称THz-TDS）是近些年才发展起来的检测方法，是利用太赫兹脉冲在样品表面发生反射或透射通过样品后所产生的时域信号，再经过傅里叶变换的方式，从而获得太赫兹在频域上的振幅及相位的变化量。振幅和相位的变化量中蕴含着材料的物理化学特性，对它们进行分析和计算，就可以得出相应的介电常数、折射率、吸收系数等重要光学参数［2］。相对于其他探测方法，太赫兹时域光谱系统的一个显著的优越性在于高信噪比，太赫兹脉冲宽度一般能达到皮秒级，从而可以明显地消减背景噪声。同时也使得太赫兹技术得以很好地获取待测材料的低频段信息，能够迅速对材料的组成做出分析和鉴定，并进一步对材料的内部缺陷进行定性乃至于定量分析［3］。能够准确的获取材料光学参数对探究太赫兹波段下各材料特性来说是极为重要的，但是目前国内对该技术的研究起步较晚，对太赫兹波段下各塑材的光学参数掌握还不够充分，因此利用太赫兹技术研究一些塑料的光学特性对塑料的甄别及后续其他应用具有一定的价值。

实验中选用了三种常见塑料ABS、PET和PMMA作为对象，利用太赫兹时域光谱技术检测样品后得到的时域和频域信息建立了折射率和吸收系数数学模型，并计算了三种不同塑料的折射率和吸收系数值［4］，对不同材料的光谱进行对比分析。

1 光学参数提取模型

在太赫兹时域光谱系统利用透射式方式对材料的光学参数进行提取时，太赫兹脉冲的时域分布一般被记录两次，一次是没有样品时的采样取得的参考信号，另外一次是对样品的采样得到的测量信号，记录的时域分布对应于太赫兹脉冲相关电场的时间依赖性［5］。

通常情况下用n͂(ω)=n(ω)-jK(ω)表示复折射率，它用以描述样品的宏观光学品质，其中，n(ω)表征折射率，主要用于反映材料色散性能，K(ω)为消光系数，用于评价材料对光的吸收能力，并用α(ω)=2ωK(ω)/c表示样品的吸收系数。在光学参数提取过程中，最主要的目的就是获得样品在太赫兹波段下的折射率n(ω)和吸收系数α(ω)，从而得到折射率和吸收系数分别与不同频率所对应的关系［6］。将入射的太赫兹信号记做ETHZ(ω)。当没有样品时，在线性介质中传播距离L后作为参考信号，记做Eref(ω)，则有；

透射过样品后便成为包含有样品信息的样品信号，记做Esam(ω)。

当选用厚度大的样品时，通过合理的选取窗口，使得区间内只有一个主脉冲波形，即为k=0，FP(ω)=1［7］。有：

n͂b(ω)=nb(ω)-jKb(ω)代入上式，且H(ω)化为模和辐角的形式：

则有表达式：

如果所研究的样品在太赫兹波段区间吸收较弱，有Kb≪nb：

由此得到了样品的折射率，吸收系数的计算公式［8］：

由获得的样品折射率和吸收系数，还可以进一步推导出反映材料性质的其他常用的光学特性参量，如介电常数等。

2 实验平台及样品

2.1 实验平台的搭建

使用太赫兹时域光谱探测系统T-Ray5000搭建透射式检测实验平台，该系统产生的飞秒脉冲中心波长为800nm，脉宽为100fs，重复频率为1kHz［9］。在透射式检测平台中，由飞秒激光脉冲经分束镜后分为两束：一束作为泵浦光，经过时间延迟系统后激励THz发射元件而产生太赫兹电磁波；另一束作为探测光，与泵浦光汇合后共线通过探测元件，用来获得实时电场振幅。接收器和发射器分别放置在被测材料两端，由发射器发出太赫兹波穿过被测物体后使用锁相放大器进行采集测定并将数据传递给工作站，从而获得波谱信息［10］。

图1 透射式太赫兹系统实验平台

2.2 实验样品

ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）是一种三元共聚物，其抗冲击性、耐热性、耐低温性及电气性能优良，通常为浅黄色或乳白色的非结晶性树脂。PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）在较宽的温度范围内电气机械性能、尺寸稳定性、耐磨耐温及阻燃性等方面具有出色的表现，是乳白色或浅黄色、高度结晶的聚合物。PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯），俗称有机玻璃，具有良好的透明性、化学稳定性和耐候性，并兼具易染色、易加工、外观优美等特点，是一种质地优异价格适宜的透明材料。实验中所选用的三种塑料均由北京塑料研究所提供。实验样品如图2所示，从左到右分别是ABS、PET、PMMA，使用千分尺测得样品的厚度分别为5.00mm、5.02mm、4.99mm，长度和宽度均为5×5cm。

图2 ABS、PET、PMMA塑料样品图

3 实验分析结果

实验是在温度20℃，相对湿度＜20%的条件下对三种塑料进行透射式检测，每种样品均重复测量8次，并通过调整设备，保证探测光入射角为90±1°。所采用的参考信号为该条件下的空气，实验结果及分析如下。

图3（a）是太赫兹光波透过三种塑料样品及空气后的太赫兹时域谱。由公式Δ=nl可知，由于太赫兹波在三种塑料样品中的折射率明显大于在空气中的折射率，因此较参考信号而言，透过被测塑料样品的太赫兹波出现了不同的时间延迟［11］。而且通过塑料制品后的太赫兹波振幅相对于参考信号存在较为明显的衰减，且每种样品幅值下降各不相同，在PET中幅值下降最明显，表明太赫兹脉冲在PET样品中的损耗最大。

图3 THz波透过空气和塑料的时域及频域光谱

图3（b）是在经过快速傅里叶变换后所得的样品及参考信号的太赫兹频域谱，在0.2～1.5THz波段中，三种样品有较强的吸收，而在0～0.2THz和1.5～5THz频域内背景噪声干扰较为严重，因此主要在0.2～1.5THz区间提取塑料的折射率和吸收系数。

图4 太赫兹波段下三种塑料的折射率和吸收系数谱

根据公式（9）可以计算出ABS，PET，PMMA三者在0.2～1.5THz波段下的折射率，图4（a）所示为三种塑料样品的折射率谱，从折射率图谱可以明确观察到，在0.2～1.5THz区间内，它们的折射率较为稳定。其中，PMMA平均折射率为1.49，PET平均折射率为1.64，ABS的平均折射率为1.56，实验中三种塑料的平均折射率PMMA＜ABS＜PET，而根据相关资料提供的各塑材参数，在温度为20℃时，三种常用塑料的折射率分别为PMMA=1.49，ABS=1.66，PET=1.56，同样也满足PMMA＜ABS＜PET，且实际折射率与实验所得基本符合。该结果表明，对于三种不同材料所制成塑料样品，可以利用太赫兹时域光谱技术来进行检测并计算其折射率。同样，在各塑料折射率值已知的情况下，也可以通过测量样品的折射率从而对塑料进行识别。

根据公式（10）可以计算出ABS，PET，PMMA三种塑料的吸收系数。三种塑料制品吸收系数在0.2～1.5THz区间内变化情况如图4（b）所示，从图像的对比中可观察到三者吸收系数图谱既有相似又有区别。相似之处在于它们都经历了吸收系数先升后降的过程，存在一个明显的吸收系数峰值；不同之处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处有最高的吸收系数，而且三者峰值处吸收系数PMMA＜ABS＜PET，也就是说不同的实验材料会对吸收系数峰值位置和大小产生影响。根据Peter Uhd Jepsen和Bernd M.Fischer的理论，峰值出现的原因是由于多数材料只能在一定范围内有效吸收太赫兹光子，导致太赫兹探测器不能够在全频段内对任意入射频率具有完美吸收，从而产生低频段处吸收系数比理论值偏低的效果［12］。该问题的解决取决于能否有效提高测试系统的可检测动态范围。目前太赫兹宽带动态接收器的相关研究仍然是较为前沿的理论，有待于继续探究［13］。

4 结论

利用太赫兹时域光谱技术，详细讨论了使用透射太赫兹波对塑料制品的折射率和吸收系数光学参数提取的方法。搭建了实验平台，对三种常见塑料进行了检测，分析塑料制品的时域、频域波谱（功率密度谱），并得出各塑料制品吸收系数和折射率在0.2～1.5THz区间内的变化趋势。由于不同塑料制品光学特性的不同，导致相关物理信息存在差异，主要区别在于：（1）在时域谱中样品厚度基本一致情况下，材料折射率和材料对波的吸收能力的不同导致了时间延迟和幅值衰减程度的不同；（2）折射率：三种塑料的平均折射率PMMA＜ABS＜PET；（3）吸收系数：三者在0.2～1.5THz波段的吸收系数谱存在差异，主要体现在吸收峰高度和位置的不同。由实验结果可知，太赫兹时域光谱技术可以提取太赫兹波段下塑料制品的折射率、吸收系数等光学参数。利用测得的光学参数可作为区分塑料的指标，为今后使用太赫兹时域光谱技术鉴定塑料制品成分及进行塑料生产质量监控无损检测提供了有效的方法和参考依据。

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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

国家863计划资助项目（JSZL2015411C002）

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

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