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太赫茲頻譜在無損檢測(cè)和工業(yè)質(zhì)量控制領(lǐng)域的應(yīng)用

MEMS ? 來源:未知 ? 作者:工程師郭婷 ? 2018-08-07 14:50 ? 次閱讀
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太赫茲測(cè)量儀器現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)應(yīng)用階段,并代表著一個(gè)重要的潛在市場(chǎng)。就在幾年前,太赫茲輻射的商業(yè)應(yīng)用似乎還不夠明朗。如果咨詢專家:太赫茲輻射有哪些“殺手級(jí)”應(yīng)用?很少有人說的上來。然而,在2018年,太赫茲測(cè)量儀器表現(xiàn)出了巨大的市場(chǎng)潛力。民用安全應(yīng)用領(lǐng)域、無損檢測(cè)和工業(yè)質(zhì)量控制領(lǐng)域,都可以受益于新一代太赫茲系統(tǒng)的應(yīng)用。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用,多種不同類型的技術(shù)各具優(yōu)點(diǎn)。

上圖為一種帶光纖尾纖的光混頻器,其有源結(jié)構(gòu)位于圓柱形封裝的中心,產(chǎn)生的太赫茲輻射通過硅透鏡發(fā)射出來太赫茲頻譜覆蓋了100GHz~10THz(波長在3mm~30um之間)的頻率,位于紅外微波頻段之間(圖1)。目前,可以使用多種技術(shù)產(chǎn)生太赫茲輻射。以下介紹的應(yīng)用采用了依賴于NIR(近紅外)激光轉(zhuǎn)換成太赫茲波的光電源。與替代技術(shù)(例如倍頻器或量子級(jí)聯(lián)激光器)相比,這種光電子系統(tǒng)的特征在于更強(qiáng)的魯棒性、更緊湊的尺寸以及非常寬的可用帶寬。

太赫茲頻譜在無損檢測(cè)和工業(yè)質(zhì)量控制領(lǐng)域的應(yīng)用

圖1 位于紅外和微波波段之間的太赫茲頻譜本文介紹了三種太赫茲探測(cè)新興應(yīng)用,每種都有不同的系統(tǒng)和儀器:(1)微量氣體的高靈敏檢測(cè),這要求系統(tǒng)具有高光譜分辨率,頻域光譜儀看起來最適合;(2)層厚測(cè)量,采用時(shí)域系統(tǒng),如塑料件的擠出和汽車工業(yè)中漆面的表征;(3)在快速移動(dòng)的傳送帶上實(shí)時(shí)檢測(cè)樣品,使用快速篩選系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證,每秒可測(cè)量高達(dá)500 KSPS(每秒千次采樣)的樣品。在此可以預(yù)期,隨著這些測(cè)量系統(tǒng)的市場(chǎng)接受度提高,將為相關(guān)組件的生產(chǎn)帶來更大的規(guī)模效應(yīng)。氣體探測(cè)頻域光譜利用了兩個(gè)可調(diào)諧激光器的差頻混頻原理。兩個(gè)波長略有差異的光照射特定半導(dǎo)體組件或光混頻器,可將拍頻信號(hào)波長轉(zhuǎn)換成太赫茲輻射。特別是,二極管激光器的波長可以精確地控制,使得所產(chǎn)生的太赫茲輻射有極高的方向性,并且可以容易地設(shè)置或掃描。在微量氣體分析中,僅1MHz的頻率分辨率就夠了;多種氣體在太赫茲頻率范圍內(nèi)具有明顯的躍遷,并在低壓下變窄,可以通過它們的吸收指紋峰進(jìn)行識(shí)別。

太赫茲頻譜在無損檢測(cè)和工業(yè)質(zhì)量控制領(lǐng)域的應(yīng)用

圖2 二氧化硫的太赫茲吸收光譜:TeraScan可以分辨寬度僅為幾兆赫茲的譜線,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(黑線)和文獻(xiàn)值(藍(lán)線)高度一致德國聯(lián)邦教育和研究部(Federal Ministry for Education and Research)在2014~2017年期間資助了一個(gè)項(xiàng)目,旨在研究工業(yè)建筑中有毒氣體的精確探測(cè)。該項(xiàng)目還聯(lián)合了TOPTICA Photonics、Fraunhofer Heinrich Hertz研究所、德國曼海姆消防局的分析工作組以及其他合作伙伴。他們?cè)O(shè)計(jì)了一款基于高精度頻域光譜儀的移動(dòng)測(cè)量站,分析了各種應(yīng)用場(chǎng)景,包括保護(hù)生產(chǎn)線免受爆炸,以及在緊急情況下清除危險(xiǎn)等。在上述兩種情景下,都需要測(cè)量有關(guān)泄露有毒氣體類型和數(shù)量的準(zhǔn)確信息。他們?cè)O(shè)計(jì)的移動(dòng)測(cè)量站的探測(cè)限值為:對(duì)氨氣達(dá)到約10ppm,對(duì)硫化氫和二氧化硫達(dá)到100ppm。圖2展示了低壓下二氧化硫的典型吸收光譜。層厚測(cè)量時(shí)域太赫茲測(cè)量基于脈沖太赫茲源。與頻域光譜相比,這些系統(tǒng)僅使用一個(gè)發(fā)射短紅外脈沖的激光(持續(xù)時(shí)間為50~100fs)。激光脈沖觸發(fā)光電導(dǎo)開關(guān)并產(chǎn)生短瞬變電流,其中包含高(太赫茲)頻率分量。目前可用的最佳光電導(dǎo)開關(guān)采用了銦鎵砷(InGaAs)半導(dǎo)體材料,可實(shí)現(xiàn)高達(dá)7 THz的帶寬。

太赫茲頻譜在無損檢測(cè)和工業(yè)質(zhì)量控制領(lǐng)域的應(yīng)用

圖3 太赫茲脈沖從塑料瓶的不同點(diǎn)反射:在同一個(gè)瓶中,壁厚變化近兩倍,太赫茲回聲定位很容易檢測(cè)到這些不均勻性利用太赫茲短脈沖進(jìn)行塑料件的質(zhì)量控制或涂料、涂層檢測(cè),是太赫茲測(cè)量最有前景的工業(yè)應(yīng)用之一(薄的光學(xué)不透明層測(cè)量)。其測(cè)量原理類似于回聲定位。太赫茲脈沖聚焦在被檢測(cè)的材料上,材料層頂部和底部會(huì)各自反射一部分的入射脈沖。如果材料的折射率已知,可以根據(jù)兩層反射脈沖的到達(dá)時(shí)間來計(jì)算層的厚度(圖3)。該方法甚至還適用于多層表面,只要各層材料具有不同的折射率即可。時(shí)域系統(tǒng)TeraFlash已經(jīng)可以解析厚度為10~20um的材料。質(zhì)保篩查第三類工業(yè)應(yīng)用既不需要光譜測(cè)量也不需要測(cè)量厚度,但需要超快的強(qiáng)度值記錄。這種質(zhì)量控制應(yīng)用,很好地說明了快速記錄的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)歐盟議會(huì)的要求,如果藥品配送單包含患者信息,則藥品只能配送給患者。因此,藥品配發(fā)機(jī)構(gòu)需要在放入藥物之前,將配送單插入包裝中(配送單由紙或塑料制成,折疊的藥盒由紙板制成)。一旦插入了配送單和藥物,整體重量會(huì)被記錄。但是,如果總重不匹配,則質(zhì)量控制幾乎不可能定位沒有配送單的藥品包裝。因?yàn)椋瑐魉蛶У乃俣龋ㄍǔ4笥?0米/秒),對(duì)于在線測(cè)量來說太快了。

圖4 利用太赫茲分析折好的紙板藥盒:首先,由發(fā)射器將飛秒(fs)激光器的輸出轉(zhuǎn)換為太赫茲脈沖,再由拋物面反射鏡將脈沖聚焦到安放在快速轉(zhuǎn)盤上的樣品,然后Schottky接收器測(cè)量透射強(qiáng)度,并在均方根(rms轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)采集器(DAQ)中進(jìn)一步處理在由TOPTICA Photonics進(jìn)行的可行性試驗(yàn)中,折好的紙板藥盒被安置在模擬快速傳送帶的工業(yè)鉆頭上。這些盒子以21米/秒的橫向速度旋轉(zhuǎn),通過太赫茲光束的焦點(diǎn)。時(shí)間相關(guān)信號(hào)的下降,是由于樣品本身邊緣和紙板折疊處太赫茲脈沖的散射造成的。通過信號(hào)中的兩個(gè)額外峰,可以看到配送單的存在。實(shí)驗(yàn)表明,利用太赫茲探測(cè),可以識(shí)別缺少配送單的包裝。該方法甚至適用于以瓦片狀重疊度高達(dá)50%~60%堆疊的樣品(圖4和圖5)。

太赫茲頻譜在無損檢測(cè)和工業(yè)質(zhì)量控制領(lǐng)域的應(yīng)用

圖5 太赫茲穿過包含配送單(左)和不包含配送單(右)的折疊包裝:在此測(cè)量中,藥品折疊包裝以21米/秒的速度移動(dòng)新的測(cè)量程序可以測(cè)量每個(gè)太赫茲脈沖的強(qiáng)度。測(cè)量過程可以在篩選系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn),并且數(shù)據(jù)采集速度可以高達(dá)每秒1億個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。不過,這樣大的數(shù)據(jù)量不方便處理,所以一次平均幾千個(gè)測(cè)量點(diǎn)是較有效的。即便如此,測(cè)量數(shù)據(jù)速率仍然遠(yuǎn)高于早期的太赫茲系統(tǒng),并且足以在超過100 km / h的采樣速度下提供高分辨率測(cè)量。

太赫茲頻譜在無損檢測(cè)和工業(yè)質(zhì)量控制領(lǐng)域的應(yīng)用

圖6 采用TeraSpeed記錄透明雙組分粘合劑(黑色曲線)和光硬化環(huán)氧粘合劑(紅色曲線)固化過程的時(shí)間演變不同于傳統(tǒng)的時(shí)域光譜儀,當(dāng)前的篩選系統(tǒng)不使用任何運(yùn)動(dòng)部件,因此在熱性能和機(jī)械方面都非常堅(jiān)固。如果需要觀察到緩慢的演變過程(例如圖6粘合劑的固化),則可以降低數(shù)據(jù)采集速率。沿著這些線的初步研究表明,雙組分粘合劑和光硬化環(huán)氧粘合劑的透射性能在固化過程中會(huì)顯著改變。因此,利用太赫茲測(cè)量可以無接觸地控制回火工序,從而幫助優(yōu)化固化持續(xù)時(shí)間和材料成分。太赫茲輻射的獨(dú)特特性使之成為多種應(yīng)用的有效工具展望未來,除了上述應(yīng)用,太赫茲更高的載波頻率將在無線通信中實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。并且,近期有研究利用太赫茲技術(shù)表征了藥物的結(jié)構(gòu)(涂層厚度)和組分。太赫茲新興應(yīng)用的數(shù)量(尤其是無接觸材料和質(zhì)量檢測(cè)),正在不斷增長。

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原文標(biāo)題:太赫茲頻譜在前沿材料測(cè)試領(lǐng)域的應(yīng)用

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