
第38卷第5期 应用激 Vol 38.No.5 2018年10月 APPLIED LASER October 2018 太赫兹光谱技术在纤维材料领域应用进展 杨蕊1,陈刚,蒋玲2,章龙2,孙海军3,周定国1* :南京林业大学材料科学 程学院,南京210037 南京林业大学信息科学技术学院,南京210037 南京林业大学现代分析测试中心,南京210037 摘要太赫兹波对大多数非极性材料具有良好的穿透性,可以对不透明物体进行透视成像,同时其光子能量低,不会产生有 害的电离反应,可以更加安全地进行材料内部的检测和诊断。太赫兹波空间分辨常高,在成像的应用中具有更长的景深,因 此太林光请技术在纤维材料研究领域具有重要的应用价值。概括了太赫兹时战光谐技术和太赫兹成像技术在天然纤维 料、合成纤维材料以及纤维复合材料应用中的研究进展,并且分析了太裤越光谱技术在纤维材料领城中应用方面需要解决的 主要问思及今后的发展 关键词物理电子学 纤维;太赫兹技术纤维复合材料 中图分类号:TN29043 文献标识码:A di:10.14128/.cmki.al.20183805.86 Progress in the Application of Terahertz Spectroscopy in the Field of Fiber Materials Yang Rui',Chen Gang',Jiang Ling',Zhang Long,Sun Haijun',Zhou Dingguo' (College of materiais science and engineering.nauiing foresry uairersity.naniing 210037.china College of Information Science and Technology.Nanjing Forestry University.Nanjing 210037.China Advanced Analysis and Testing Center,Nanjing Forestry University.Nanjing 210037.China) Abstract Terahertz waves have good penetrability to most nor-polar materials.and can fluoroscopically image opanue obiects At the same time.there is no harmful ionization reaction because of the photon energy is low.so it can be more safely to detect and diagnose inside the material.Terahertz wave spatial resolution is high.and there is a longer depth of field in imaging appli cation.Therefore.terabertz speetroscopy has important application value in the field of fiber materials research.The research progress of terahertz time-domain spectroscopy and terahertz imaging techn logy in natural fiber materials.synthetic fiber ma teriand fiber composites is summarized.The main problems that need to be soved in the application of terahertz spectroso py in the field of fiber materials and future development direction are analyzed. Key words physical electronics:fiber:terahertz technology:fiber composite 0引言 究和探讨。太赫兹波之所以近几年又引起研究者 太赫兹辐射是指频率在0.1一10.0THz(波 的兴趣,重要的原因是其具有几个重要性质:(1)透 为300030m)的波段,位于微波和红外辐射之 视性。即对不透明的物体可以进行透视成像,而对 间,是一个特定波段的电磁辐射的统称】。自然界 大多微作金属干悦材料也且有穿诱性:(2)安全性 中有大量的物质都是太赫兹辐射源,例如大多数物 太赫兹辐射的光子能量极低,不会产生有吉的电离 体的热辐射频率都恰好处在太赫兹波段。早在2 反应,可以安全地进行生物医学,木材内部缺陷方面 世纪初,太赫兹辐射就引起了很多科学家和学者的 的检测和诊断:(3)空间分辨率高。太赫兹波的频率 强烈兴趣,但是由于缺乏太赫兹波段的高效发射源 比微波高,具有更高的空间分辨率,在成像的应用 和灵敏探测器,使得这个波段没有得到进一步的研 中,其短波长的性质,使之在保持同等空间分辨率 收稿日期:2018-0330 基金项目:江苏省自然科学燕金资助项目(项目编号:BK20150876):江苏高校优势学科建设工程资助项目(项目第号:PAPD) 作者简介:杨蕊(1983一),女,博士,讲师,主要从事生物质复合材料方面的研究。E-mail:yangrui(@nj可fu.eu.cm 通信作者:周定国(1949一),男,博士,数授,主要从事生物质复合材料的研究。Eml:dgzhou@njfu.cdu.cm 864- 1004.2018chi Academic Jou al Electronic Publishing House.All rightsre www.cnki.ne
收稿日期:2018-03-30 基金项目:江苏省自然科学基金资助项目(项目编号:BK20150876);江苏高校优势学科建设工程资助项目(项目编号:PAPD) 作者简介:杨蕊(1983-),女,博士,讲师,主要从事生物质复合材料方面的研究。E-mail:yangrui@njfu.edu.cn * 通信作者:周定国(1949-),男,博士,教授,主要从事生物质复合材料的研究。E-mail:dgzhou@njfu.edu.cn 第38卷第5期 应 用 激 光 Vol.38,No.5 2018年10月 APPLIEDLASER October2018 太赫兹光谱技术在纤维材料领域应用进展 杨蕊1, 陈刚1, 蒋玲2, 章龙2, 孙海军3, 周定国1* (1南京林业大学 材料科学与工程学院,南京 210037; 2南京林业大学 信息科学技术学院,南京 210037; 3南京林业大学 现代分析测试中心,南京 210037) 摘要 太赫兹波对大多数非极性材料具有良好的穿透性,可以对不透明物体进行透视成像,同时其光子能量低,不 会 产 生 有 害的电离反应,可以更加安全地进行材料内部的检测和诊断。太赫兹波空间分辨率高,在成像的应用中具有更长的景深,因 此太赫兹光谱技术在纤维材料研究领域具有重要的应用价值。概括了太赫兹时域光谱技术和太赫兹成像技术在天然纤维材 料、合成纤维材料以及纤维复合材料应用中的研究进展,并且分析了太赫兹光谱技术在纤维材料领域中应用方面需要解决的 主要问题及今后的发展方向。 关键词 物理电子学; 纤维; 太赫兹技术; 纤维复合材料 中图分类号:TN29;O433 文献标识码:A doi:10.14128/j.cnki.al.20183805.864 ProgressintheApplicationofTerahertzSpectroscopyintheFieldofFiberMaterials YangRui1, ChenGang1, JiangLing2, ZhangLong2, SunHaijun3, ZhouDingguo1 (1 CollegeofMaterialsScienceandEngineering,NanjingForestryUniversity,Nanjing210037,China; 2 CollegeofInformationScienceandTechnology,NanjingForestryUniversity,Nanjing210037,China; 3 AdvancedAnalysisandTestingCenter,NanjingForestryUniversity,Nanjing210037,China) Abstract Terahertzwaveshavegoodpenetrabilitytomostnon-polarmaterials,andcanfluoroscopicallyimageopaqueobjects. Atthesametime,thereisnoharmfulionizationreactionbecauseofthephotonenergyislow,soitcanbemoresafelytodetect anddiagnoseinsidethematerial.Terahertzwavespatialresolutionishigh,andthereisalongerdepthoffieldinimagingappli- cation.Therefore,terahertzspectroscopyhasimportantapplicationvalueinthefieldoffibermaterialsresearch.Theresearch progressofterahertztime-domainspectroscopyandterahertzimagingtechnologyinnaturalfibermaterials,syntheticfiberma- terialsandfibercompositesissummarized.Themainproblemsthatneedtobesolvedintheapplicationofterahertzspectrosco- pyinthefieldoffibermaterialsandfuturedevelopmentdirectionareanalyzed. Keywords physicalelectronics; fiber; terahertztechnology; fibercomposite 0 引言 太赫兹辐射是指频率在0.1~10.0THz(波长 为3000~30μm)的波段,位于微波和红外辐射之 间,是一个特定波段的电磁辐射的统称[1]。自 然界 中有大量的物质都是太赫兹辐射源,例如大多数物 体的热辐射频率都恰好处在太赫兹波段。早 在20 世纪初,太赫兹辐射就引起了很多科学家和学者的 强烈兴趣,但是由于缺乏太赫兹波段的高效发射源 和灵敏探测器,使得这个波段没有得到进一步的研 究和探讨[2]。太赫兹波之所以近几年又引起研究者 的兴趣,重要的原因是其具有几个重要性质:(1)透 视性。即对不透明的物体可以进行透视成像,而对 大多数非金属干燥材料也具有穿透性;(2)安全性。 太赫兹辐射的光子能量极低,不会产生有害的电离 反应,可以安全地进行生物医学、木材内部缺陷方面 的检测和诊断;(3)空间分辨率高。太赫兹波的频率 比微波高,具 有 更 高 的 空 间 分 辨 率,在 成 像 的 应 用 中,其短波长 的 性 质,使 之 在 保 持 同 等 空 间 分 辨 率 — 846 —

时,具有更长的景深,成像比X射线清嘶 射的测量,实现对木制品内纤维取向的测定,证明了 太赫兹技术在实际应用中的主要手段有两 使用脉冲太赫兹辐射进行木材纤维方向分析的可能 种[),其一为太赫兹时域光兽技术,这个技术将超 性。Todoruk T M等[)通讨实验得到10种木材的 快激光歌冲分成两束,一束用于激发招短太赫兹赋 太赫兹诱射光谱,发现不同树种的木材双折射差别 冲,另一束用于探测太赫兹脉冲的瞬时电场振幅 很大,这 通过扫描探测激光和太赫兹脉冲的相对时间延迟 可得到太赫兹脉冲的时域波形,包括振幅和相位信 兹双折射的强烈影响,可进一步研究木材的相关物 息,然后再通过傅里叶(Fourier)变换得到表征样品 型特性,早感东等[町利用太魅造研究天姚蚕丝结 持性的频域波形,句括折射率和吸收系颗到。其 构特征,并探究其与染色丝的区别。研究结果表明 为太赫兹成像技术,该技术是利用太赫兹射线透 四种蚕丝纤维样品相比参考信号都做出了不同程度 过成像样品(或在样品上发生反射),记录所获得的 的减,且衰减程度不 一样,在太赫兹波段没有明 太赫兹波的强度和相位的二维信息进行频谱分析 特征吸收峰,但吸收系数与折射率都存在差异,说明 从而得到样品的太赫兹成像1山,并根据所有太赫兹 利用太赫盛时域光善技术妆可以区分天然影色香妈 射线的表现形式可以分为连续波成像和脉冲 与染鱼袋。求国等[)利用太妹兹时域光技术 成像0 研究玉米、麦壳、芦苇在0.2一1,8Tz频段频谱特 正因为太赫兹波光子能量低,不会造成纤维结 性,分析三种植物纤维素的折射率和吸收谱,并用化 构与活性的破坏,并且对大多数非极性材料具有良 学分析方法检测它们的纤维素含量,用纤维素粉作 样的穿诱性,因出可以广多前用干无品拾测和纤维 为参老样品排行出较。结果表明,利用太桂线被技 材料特性的研究[】。同时太核兹光技术还可以 术进行植物纤维素的检测,可以实现对辅物原料中 鉴别和区分纤维的不同构型和枸象,这些性质使得 纤维素的快速判断】 苏同福)利用太赫兹射线技 太赫兹光谱技术在纤维材料领域具有非常厂广泛的应 术研究烟梗中分子或高分子的振动,通过检测卷烟 用前景[1)。 产品的太赫兹吸收变化情况,米监控卷烟产品的质 1太赫兹时域光谱技术的研究 量。鉴于太赫兹射线的独特性,太恭兹技术为烟草 1.1在天然纤维材料中的应用 化学提供了一个新的研究工且 太赫兹波很容易穿透非金属和非极性物质,在 在合成纤维材料中的应用 电磁波谱中也具有重要的应用(图1))。太赫效波 通过研究合成纤维材料在太赫兹波中的频谱响 光子能量低,安全可靠,通过研究太赫兹光谱与天然 应,可以探测到分子结构和振动信息,以及纤难的吸 纤维之间相互作用机理,根据纤维材料的吸收系数 收光谱.太赫兹波段对纤维的结构差异非常敏感,以 散射系数、双折射等 ,可以鉴别和区分它们的手 此可以鉴别纤维的不同种类。太赫兹时域光谱仪原 实现植物原料中纤维素的快速判断。 理如图2所示。 辎 图】太赫波在电磁波中的位置及其在分子 材料以及物理现象所究中的应用 Fig. gnetie spectrum and its application in molecular. 图2太恭兹时域光语仪原理埋图 material and physical phenomena Fig.2 rahertz time- Reid M等)利用太赫兹时域光谱技术,研究 骆斌等[通过太赫兹时域光谱测试和自由空 云杉木材的远红外性能,结果发现木材内部的优先 间电光采样方法获得了几种化学纤维(涤纶、芳纶和 纤维取向产生了双折射,这将有望利用对木材双折 维纶)的透射光谱,进而计算它们在0.2一1.0THz 865 1994-2018 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/www.enki.ne
时,具有更长的景深,成像比 X射线清晰[3-6]。 太赫 兹技术在实际应用中的主要手段有两 种[7-8],其一为太赫兹时域光谱技术,这 个 技 术 将 超 快激光脉冲分成两束,一束用于激发超短太赫兹脉 冲,另一束用于探测太赫兹脉冲的瞬时电场振幅。 通过扫描探测激光和太赫兹脉冲的相对时间延迟, 可得到太赫兹脉冲的时域波形,包括振幅和相位信 息,然后再通过傅里叶(Fourier)变换得到表征样品 特性的频 域 波 形,包 括 折 射 率 和 吸 收 系 数[9-13]。其 二为太赫兹成像技术,该技术是利用太赫兹射线透 过成像样品(或在样品上发生反射),记录所获得的 太赫兹波的强度和相位的二维信息进行频谱分析, 从而得到样品的太赫兹成像[14],并根据所有太赫兹 射线的表现形式可以分为连续波成像和脉冲 成像[15-17]。 正因为太赫兹波光子能量低,不会造成纤维结 构与活性的破坏,并且对大多数非极性材料具有良 好的穿透性,因此可以广泛应用于无损检测和纤维 材料特性的 研 究[18]。同 时太赫兹光谱技术还可以 鉴别和区分纤维的不同构型和构象,这些性质使得 太赫兹光谱技术在纤维材料领域具有非常广泛的应 用前景[19-21]。 1 太赫兹时域光谱技术的研究 1.1 在天然纤维材料中的应用 太赫兹波很容易穿透非金属和非极性物质,在 电磁波谱中也具有重要的应用(图1)[22]。太赫兹波 光子能量低,安全可靠,通过研究太赫兹光谱与天然 纤维之间相互作用机理,根据纤维材料的吸收系数、 散射系数、双折射等,可以鉴别和区分它们的种类, 实现植物原料中纤维素的快速判断。 图1 太赫兹波在电磁波谱中的位置及其在分子、 材料以及物理现象研究中的应用[22] Fig.1 Thepositionofterahertzwaveinthe electromagneticspectrumanditsapplicationinmolecular, materialandphysicalphenomena ReidM 等[23]利 用太 赫 兹 时 域 光 谱 技 术,研 究 云杉木材的远红外性能,结果发现木材内部的优先 纤维取向产生了双折射,这将有望利用对木材双折 射的测量,实现对木制品内纤维取向的测定,证明了 使用脉冲太赫兹辐射进行木材纤维方向分析的可能 性。TodorukT M 等[24]通过实验得到10种木材的 太赫兹透射光谱,发现不同树种的木材双折射差别 很大,这一 可 变 性 有 望 作 为 物 种 区 分 的 指 纹 光 谱。 同时利用木材材种、含水率、内部纤维结构等对太赫 兹双折射的强烈影响,可进一步研究木材的相关物 理特性。吴晓 东 等[25]利 用太 赫 兹 研 究 天 然 蚕 丝 结 构特征,并探究其与染色丝的区别。研究结果表明, 四种蚕丝纤维样品相比参考信号都做出了不同程度 的衰减,且衰减程度不一样,在太赫兹波段没有明显 特征吸收峰,但吸收系数与折射率都存在差异,说明 利用太赫兹时域光谱技术也可以区分天然彩色蚕丝 与染色丝。裘国华等[26]利用太赫兹时域光谱技术, 研究玉米、麦壳、芦苇在0.2~1.8THz频段频谱特 性,分析三种植物纤维素的折射率和吸收谱,并用化 学分析方法检测它们的纤维素含量,用纤维素粉作 为参考样品进行比较。结果表明,利用太赫兹波技 术进行植物纤维素的检测,可以实现对植物原料中 纤维素的快 速 判 断。苏 同 福[27]利 用太 赫 兹 射 线 技 术研究烟梗中分子或高分子的振动,通过检测卷烟 产品的太赫兹吸收变化情况,来监控卷烟产品的质 量。鉴于太赫兹射线的独特性,太赫兹技术为烟草 化学提供了一个新的研究工具。 1.2 在合成纤维材料中的应用 通过研究合成纤维材料在太赫兹波中的频谱响 应,可以探测到分子结构和振动信息,以及纤维的吸 收光谱,太赫兹波段对纤维的结构差异非常敏感,以 此可以鉴别纤维的不同种类。太赫兹时域光谱仪原 理如图2所示。 图2 太赫兹时域光谱仪原理图 Fig.2 Terahertztime-domainspectrometerschematic 骆斌等[28]通 过太 赫 兹 时 域 光 谱 测 试 和 自 由 空 间电光采样方法获得了几种化学纤维(涤纶、芳纶和 维纶)的透射光谱,进而计算它们在0.2~1.0THz — 568 —

频段的吸收系数和折射率(图3)。研究表明,涤纶 作为数据特征,采用主成分分析法与马氏距离判别 芳纶和维纶纤维在太赫兹频段存在特征频谱响应 法相结合的方法,鉴别成分相似的纺织纤维具有可 可以用来探测分子的结构信息和振动情况,并可以 行性。 用来作为鉴别纤维的手段 8 0.5 20 2 0206101418224 (b) 04 06 15 (6) 0206101.4182.22 /T 1.0 8 0 6 02 4 08 2 0.6101418222 45 35 25 (d) 7 3 2 图3不同纤维在0.2~L.0THz频域内的吸收光谐 (a)涤纶(b)芳纶1414(e)维纶 Fig.3 s in the 0206101418224 TH 曹丙花等对涤纶、芳纶、棉纶、纶、天丝利 维纶进行了太赫兹光谱的检测,实验显示这几种纤 维的吸收谱存在明显的差别,为进一步将太赫兹波 技术应用于纺织纤维检测提供了依据(图4)。曹内 花等还以几种典型的棉材料为原料,利用太赫 光谱系统测得了介质在太赫兹波段的时域光谱信 0206101.4182.22.4 号。研究结果表明,以纺织纤维的太赫兹吸收光谱 866- 1994-2018 China Academic Joural Electronic Publishing House All rights http://www.cnki.ne
频段的吸收系数和折射率(图3)。研究表明,涤纶、 芳纶和维纶纤维在太赫兹频段存在特征频谱响应, 可以用来探测分子的结构信息和振动情况,并可以 用来作为鉴别纤维的手段。 (a) (b) (c) 图3 不同纤维在0.2~1.0THz频域内的吸收光谱 (a)涤纶 (b)芳纶1414 (c)维纶 Fig.3 Absorptionspectraofdifferentfibersinthe frequencydomainof0.2~1.0THz 曹丙花等[29]对 涤纶、芳 纶、棉 纶、腈 纶、天 丝 和 维纶进行了太赫兹光谱的检测,实验显示这几种纤 维的吸收谱存在明显的差别,为进一步将太赫兹波 技术应用于纺织纤维检测提供了依据(图4)。曹丙 花等[30]还以几种典型的棉材料为原料,利用太赫兹 光谱系统测得了介质在太赫兹波段的时域光谱信 号。研究结果表明,以纺织纤维的太赫兹吸收光谱 作为数据特征,采用主成分分析法与马氏距离判别 法相结合的方法,鉴别成分相似的纺织纤维具有可 行性。 (a) (b) (c) (d) (e) — 866 —

6 于太赫兹辐射对水的高灵敏度,可以利用太赫兹光诺 测定聚合物中水的含量。Nezadal M等)利用较低 的太妹装频段(频率范围为220325G1Lz)对玻南红 维增强塑料中的人造缺陷讲行了检测.可以达到 0.8mm的纵向分辨奉。HuT等t对太裤兹频奉范 围的蚕丝复合材料进行了探究,以具有生物相容性的 0206101.4182.22.4 蚕丝薄膜作为载体,用电子投射技术将金粒子以一定 的规格投射在蚕丝薄膜上做成太赫兹波段的超材料, 图4合成纤的太赫吸收光潜 可以用于对人体病变部位进行跟踪治疗。戴泽林等购 (a)涤纶(b)芳纶(c)棉纶(d)轮(天丝(D纶 采用低温溶解法制备再生纤维素膜,结合太赫兹 g The r 光谱和傅里叶变换红外光谱技术,测量了再生纤维素 膜的太赫兹光谱(图5)。详细指认了再生纤维素在太 ToruK等)对锦纶6,锦纶66、涤纶和丙纶四种 赫兹波段的持征修,指出再生纤雄素的太赫兹诱过潮 化学纤维,棉、大麻,亚麻,苎麻,粘胶等纤维素类纤维。 随波数的减少而增大的现象是由其无定形部分所导 以及开司米羊毛、美利奴羊毛,牦牛毛和骆驼毛这四种 致。 再生纤维素的吸收峰振动归属如表 1所示 蛋白质类纤维分别进行了太赫兹光谱测试,分别得出 各自在Q,5一6,2T出波段的透射光谱图,结果显示 太赫兹波段对纤维的结构差异非常敏感,即便是同 类纤维在太赫兹波段光谱图都具有明显的差异。 1.3在纤维复合材料中的应用 太赫兹波对水具有高灵敏度,因此可以分析纤 维复合材料的介电性能回,对纤维复合材料的缺 检测效果明显,适用于局部检测对整体的判断。 Jordens C等[]采用太林兹时域光谱研究了聚 酰胺(PA)和木塑(WPC)复合材料的含水率,不同 图5再生纤维素膜的太赫装透射光诺 的水含量可以决定样品的介电性能。研究表明,由 表】再生纤维素的吸收峰振动归属 Tab.1 Assignment of absorption peaks of regenerated cellulose Experiment/cm Calculation/cm Vibrational assignments 27 42 47 latticevibration coupled with transaio mode lattice vibration coupled with rotational mode 54/55 68 71 p(C.H:).r(Py.).a(C.-H).&(O-H) 75 79 82 aC-HDpC-H)0。-HDPy).C.H,OH) 169 (C H:OH).8(0:.H).t(C H:OH).8(C3.H).&(. 193 200 238 p(C.Ha).t(C.OH).8(Cz._H) 274 340 348 -867 18China Academie Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://ww.enkie
(f) 图4 合成纤维的太赫兹吸收光谱 (a)涤纶 (b)芳纶 (c)棉纶 (d)腈纶 (e)天丝 (f)维纶 Fig.4 Theterahertzabsorptionspectrum ofsyntheticfibers ToruK等[31]对锦纶6、锦纶66、涤纶和丙纶四种 化学纤维,棉、大麻、亚麻、苎麻、粘胶等纤维素类纤维, 以及开司米羊毛、美利奴羊毛、牦牛毛和骆驼毛这四种 蛋白质类纤维分别进行了太赫兹光谱测试,分别得出 各自在0.5~6.2THz波段的透射光谱图,结果显示, 太赫兹波段对纤维的结构差异非常敏感,即便是同一 类纤维在太赫兹波段光谱图都具有明显的差异。 1.3 在纤维复合材料中的应用 太赫兹波对水具有高灵敏度,因此可以分析纤 维复合材料的介电性能[32],对纤维复合材料的缺陷 检测效果明显,适用于局部检测对整体的判断。 JordensC等[33]采用太赫兹时域光谱研究了聚 酰胺(PA)和 木 塑(WPC)复 合材 料 的 含 水 率,不 同 的水含量可以决定样品的介电性能。研究表明,由 于太赫兹辐射对水的高灵敏度,可以利用太赫兹光谱 测定聚合物中水的含量。NezadalM 等[34]利用较低 的太赫兹频段(频率范围为220~325GHz)对玻璃纤 维增强 塑 料 中 的 人 造 缺 陷 进 行 了 检 测,可 以 达 到 0.8mm的纵向分辨率。HuT等[35]对太赫兹频率范 围的蚕丝复合材料进行了探究,以具有生物相容性的 蚕丝薄膜作为载体,用电子投射技术将金粒子以一定 的规格投射在蚕丝薄膜上做成太赫兹波段的超材料, 可以用于对人体病变部位进行跟踪治疗。戴泽林等[36] 采用低温溶解法制备再生纤维素膜,结合太赫兹时域 光谱和傅里叶变换红外光谱技术,测量了再生纤维素 膜的太赫兹光谱(图5)。详细指认了再生纤维素在太 赫兹波段的特征峰,指出再生纤维素的太赫兹透过率 随波数的减少而增大的现象是由其无定形部分所导 致。再生纤维素的吸收峰振动归属如表1所示。 图5 再生纤维素膜的太赫兹透射光谱 Fig.5 Terahertztransmissionspectrumof regeneratedcellulosefilm 表1 再生纤维素的吸收峰振动归属 Tab.1 Assignmentofabsorptionpeaksofregeneratedcellulose Experiment/cm-1 Calculation/cm-1 Vibrationalassignments 27 42 47 54/55 53 latticevibrationcoupledwithtranslationalmode latticevibrationcoupledwithrotationalmode 68 71 ρ(C6cH2),γ(Pyc),δ(Cc—H),δ(O—H) 75 79 82 89 169 180 δ(C1,3,5o—H),ρ(C6o—H2),δ(O3o—H),γ(Pyc),t(C6cH2OH) t(C6oH2OH),δ(O2,3oH),t(C6cH2OH),δ(C3,5cH),δ(O2cH) 193 200 238 231 ρ(C6oH2),t(C4oOH),δ(C3,5oH) 274 340 348 — 876 —

,表 Experiment/cm-i Calculation/cm-1 Vibrational assignments 351 357 (O-O-C).(Py.).t(C:.HOH).1(C.H.OH).C.H) 35 381 374 a(C-0-C).(CH:).(C:HOH).X(Py)(CH) t(C H:OH).&(C-0-C) 406 417 414 C。一OC).t(C2.HOH).t(CH,OH).CH 128 45 462 468 aC1。-(-C4》,t(C:.H:OH),(CH 514 哈 526 (CL-0-C).(Py).(C&H:).8(CH) 551 583 577 Y(Py.).&C:.H).Y(C-O-C.).&(CH).t(CHOH) 611 670 X0.3CHD.OD torsion:deformation-rocking vibration:7 bending vibration:Py-pyranoid ring:Subseript oorigin n:Subscript nter chain atomic numbe 2太赫兹成像技术的研究 (a) 2,1在天然纤维材料中的应用 由于太赫兹波的空间分辨率高,可利用太赫刻 成像技术直接观察到天然纤维材料的内部结构,纤 维与水含量之间的差异,以及材料内部的密度分布。 太赫兹时域成像仪TAS7500IM原理如图6所示。 感面同步装口习 (6 应一园一具 mage TAS75001M schematic 图?()山毛的太赫兹透射图像,黑色区域表示 Koch M等[证明,太赫兹成像可以在亚年轮 射率的地方(b)山毛释样品的密度 空间分排率建立山毛举(Fagus longipetiolata)木材 Fig.7 black areas indicating low transm 的密度图。空间分辨率受辐射波长的限制,在成像 (b)density map of beech sample 应用中,由于太赫兹波的短波长性质,使其空间分洲 率可达到毫米甚至微米级,实现了用亚年轮分辨 OzakiT等,利用太赫兹技术监控定向创衣 测绘木材密度分布。通过得到的密度映射图,可以 板(()riented strand board,OSB)的生产过程,使 直接看出木材内的密度分布(图7). OSB任意一层内的纤维排列方向一致,相邻两层的 868- 1994-2018 China Academic Joural Electronic Publishing right http://www.cnki.net
续表 Experiment/cm-1 Calculation/cm-1 Vibrationalassignments 351 357 δ(O1o—O—C4o),γ(Pyc),t(C2,3ocHOH),t(C6ocH2OH),δ(C5ocH) 359 381 374 δ(C1oc—O—C4oc),ρ(C6oH2),t(C2,3ocHOH),γ(Pyoc),δ(C1,4oH) t(C6cH2OH),δ(C1c—O5c—C5c) 406 417 414 δ(C1o—O—C4o),t(C2,3oHOH),t(C6oH2OH),δ(C5oH) 428 451 462 468 δ(C1o—O—C4o),t(C5oH2OH),δ(C5oH) 514 522 526 δ(C1c—O—C4c),γ(Pyc),t(C6cH2),δ(C2,3,5cH) 551 583 577 611 607 γ(Pyo),δ(C2cH),γ(C1o—O—C4o),δ(C1,4,3oH),t(C2oHOH) γ(O3,6cH) 670 678 γ(O2,3,6oH),δ(C1,4,5oH),γ(O2,6cH) t=torsion;δ=deformation;ρ=rockingvibration;γ=out-of-planebendingvibration;Py=pyranoidring;Subscripto=origin chain;Subscriptc=centerchain;1~6=atomicnumber 2 太赫兹成像技术的研究 2.1 在天然纤维材料中的应用 由于太赫兹波的空间分辨率高,可利用太赫兹 成像技术直接观察到天然纤维材料的内部结构,纤 维与水含量之间的差异,以及材料内部的密度分布。 太赫兹时域成像仪 TAS7500IM 原理如图6所示。 图6 太赫兹时域成像仪 TAS7500IM 原理图 Fig.6 Terahertztime-domainimager TAS7500IMschematic Koch M 等[37]证明,太赫兹成像可以在亚年轮 空间分辨率建立山毛榉(Faguslongipetiolata)木材 的密度图。空间分辨率受辐射波长的限制,在成像 应用中,由于太赫兹波的短波长性质,使其空间分辨 率可达到毫米甚至微米级,实现了用亚年轮分辨率 测绘木材密度分布。通过得到的密度映射图,可以 直接看出木材内的密度分布(图7)。 (a) (b) 图7 (a)山毛榉的太赫兹透射图像,黑色区域表示 低透射率的地方 (b)山毛榉样品的密度图 Fig.7 (a)Theterahertztransmissionimageofthebeech, blackareasindicatinglowtransmittance (b)densitymapofbeechsample OzakiT 等[38],利用太赫兹技术监控定向刨花 板(Orientedstrandboard,OSB)的 生 产 过 程,使 OSB任意一层内的纤维排列方向一致,相邻两层的 — 886 —

纤维排列方向互相垂直,实现测量板密度的同时,检 查平均纤维取向,并可以看出相对于理论目标的刨 花偏离值。在粘合挤压成板前测量并控制OSB大 片侧花的取向和密度,可以最大限度地提高OSB强 度,显著节约成本,还用太赫兹波对一段木材进行衫 测,可以看到木材内纤维构造是规则的还是扭曲的 由此在伐木时,可以看到原木中可能出现的甲虫破 坏的地方:对于原木的加工和成材,就可能在干裂 时域最大值 扭曲的原料中生产出更加坚周和笔直的木材,议可可 以为原木加工过程节省大量的时间和金钱。 徐雨任 等[]利用太赫兹时域成像技术对三合板进行检测 太赫兹成像能快速检测出三合板表面的纹理特征 并测得第一层的厚度为92m。通过提高系统信果 比和成像分辨率,能进一步分析三合板的内部信息 从 完成对三合板表面和内部的无损检测。O, 等[利用亚太赫兹(su-terahertz)成像系统展示了 它在木材、烧砖等建筑领域的非破坏性无损检测的 时城最小值 应用潜力。由于水份对太赫兹被有较大吸收率,水 图9叶片太赫装时域成像 扩散到木材中会清地成俊。随着水扩散到罗锋 Fig.9 Leaf terahertz time domain imaging 中,木材的纤维结构、节子很明显地显示出米。 通过 表2叶片的水分变化结果(重量/g】 亚太赫兹透射成像研究木材内部看不见的暇、 Tab.2 The change results of leaf moisture (weight/e) 子以及水分的扩散。太赫蕊成像技术作为一种非接 触式无损检测技术,通过透视木结构建筑物,可为我 时片 天数 许多太结构古的无损检测提供技术撞,且 0.25020.27590.30110.32060.305 有重要的应用价值 龙园等)通过采集离体绿 0.20330.22680.23570.24370.261 叶片,每隔 定时间利用太赫兹光谱仪对叶片遂点 0.16500.19170.18370.18900.2231 描,获取叶片每一点的太赫兹时域光谱数据,经过傅 0.11050.14820.14440.12840.1730 里叶弯掩得到对密场或业善提取时域超值的光善参 0.0631 0.1070.10760.07070.116 数以及特定频域光谱,对植物叶片图像进行重构,获 0.25020.27590.30110.32060.3056 取植物叶片的 二维图像。结果表明,不 须率下绿安 离体叶片的太赫兹二维图像呈现明显差异,叶肉与叫 22在纤复念材料中的应用 脉中水分含量不同,对太赫兹波的吸收也不同,根据 太赫兹成像技术可以对纤维复合材 进行无损 图像能清畴显示植物叶片叶肉与叶脉部位的水分含 检测,并且可以验证不同缺陷之间的特性,进一步确 量差异。叶片吸收系数和太桔兹时域成像如图8、图 定损伤的举型。 9所示, 的水分变化结果如表2所示 废晓玲等[]以返波振荡管连续太赫兹波成傻 系统(图10)对5mm厚的玻璃纤维复合材料进 无损检测实验,其中包括热损伤(d=0.5mm 空气分层(sa=0.5mm)等缺陷,获得样品的成像 结果及数据。结果表明,返被报荡管连续太赫兹波 成像技术从背面对玻璃纤维复合材料样品中的两种 03 04 14 缺陷有清晰成像,且结合成像数据,可推除样品中环 氧树脂的影响,验证不同缺陷之间的特性,进一步确 定损伤类型。 -869 1994-2018 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.enki.net
纤维排列方向互相垂直,实现测量板密度的同时,检 查平均纤维取向,并可以看出相对于理论目标的刨 花偏离值。在粘合挤压成 板 前 测 量 并 控 制 OSB 大 片刨花的取向和密度,可以最大限度地提高 OSB强 度,显著节约成本,还用太赫兹波对一段木材进行检 测,可以看到木材内纤维构造是规则的还是扭曲的。 由此在伐木时,可以看到原木中可能出现的甲虫破 坏的地方;对于原木的加工和成材,就可能在干裂、 扭曲的原料中生产出更加坚固和笔直的木材,这可 以为原木加工过程节省大量的时间和金钱。徐雨田 等[39]利用太赫兹时域成像技术对三合板进行检测, 太赫兹成像能快速检测出三合板表面的纹理特征, 并测得第一层的厚度为92μm。通过提高系统信噪 比和成像分辨率,能进一步分析三合板的内部信息, 从而完成对三合板表面和内部的无损检测。OyamaY 等[40]利用亚太赫兹(sub-terahertz)成像系统展示了 它在木材、瓷砖等建筑领域的非破坏性无损检测的 应用潜力。由于水份对太赫兹波有较大吸收率,水 扩散到木 材 中 会 清 晰 地 成 像。随着水扩散到裂缝 中,木材的纤维结构、节子很明显地显示出来。通过 亚太赫兹透射成像研究木材内部看不见的瑕疵、节 子以及水分的扩散。太赫兹成像技术作为一种非接 触式无损检测技术,通过透视木结构建筑物,可为我 国许多木结构古建筑的无损检测提供技术支撑,具 有重要的应 用 价 值。龙 园 等[41]通过采集离体绿萝 叶片,每隔一定时间利用太赫兹光谱仪对叶片逐点扫 描,获取叶片每一点的太赫兹时域光谱数据,经过傅 里叶变换得到对应频域光谱,提取时域幅值的光谱参 数以及特定频域光谱,对植物叶片图像进行重构,获 取植物叶片的二维图像。结果表明,不同频率下绿萝 离体叶片的太赫兹二维图像呈现明显差异,叶肉与叶 脉中水分含量不同,对太赫兹波的吸收也不同,根据 图像能清晰显示植物叶片叶肉与叶脉部位的水分含 量差异。叶片吸收系数和太赫兹时域成像如图8、图 9所示,叶片的水分变化结果如表2所示。 图8 叶片吸收系数 Fig.8 Leafabsorptioncoefficient 图9 叶片太赫兹时域成像 Fig.9 Leafterahertztimedomainimaging 表2 叶片的水分变化结果(重量/g) Tab.2 Thechangeresultsofleafmoisture(weight/g) 叶片 编号 天数 1 2 3 4 5 1 0.2502 0.2759 0.3011 0.3206 0.3056 2 0.2033 0.2268 0.2357 0.2437 0.2610 3 0.1650 0.1917 0.1837 0.1890 0.2231 4 0.1105 0.1482 0.1444 0.1284 0.1730 5 0.0631 0.1107 0.1076 0.0707 0.1169 6 0.2502 0.2759 0.3011 0.3206 0.3056 2.2 在纤维复合材料中的应用 太赫兹成像技术可以对纤维复合材料进行无损 检测,并且可以验证不同缺陷之间的特性,进一步确 定损伤的类型。 廖晓玲等[42]以返波振荡管连续太赫兹波成像 系统(图10)对5mm 厚 的玻璃纤维复合材料进行 无损检测实验,其中包括热损伤(dmin=0.5mm)、 空气分层(smin=0.5mm2)等缺陷,获得样品的成像 结果及数据。结果表明,返波振荡管连续太赫兹波 成像技术从背面对玻璃纤维复合材料样品中的两种 缺陷有清晰成像,且结合成像数据,可排除样品中环 氧树脂的影响,验证不同缺陷之间的特性,进一步确 定损伤类型。 — 896 —

.Jo AFG DOSC DAIM 兼锡时系机 ,等 太赫兹成像技术的实验研 [6]SHEN JINE.RONG JIAN.LIU WENXIN. Progress of erahertz in communication technol ogy[J ]Infrared ane 图10BWO连续太赫兹被成像系统结构 35(23)342- Fig.10 Structure of BW(continuous terahert ,太林兹技术在通信 方面的研究进 展红 工程2 5〔然):342-347 Applications of teraherta 3结论 [7]SHEN FEI,YING YIBIN and imaging techniques in food salety in 日前,太抹益技术在纤维材料领域正处于飞速 spection Spectroscopy and Spectral Analysis.2009 发展时期,相比于其他成熟的光谱技术,具有透视性 9(6):1445144 好,安全性高,空间分辨奉强等优势。但同时也存在 沈飞,应义,太赫兹光谱和成像技术在食品安全检测 若很大的困难和挑战,例如在理论研究中,太赫兹园 中的应用[J门.光语学与光谐分析,2009,29(6) 冲和纤维材料之间相互作用的参数还很缺乏,需要 1445-1449 电加详尽的了解太林兹被与纤维的相互作用机理 [8]ZHANG WEN.LEI YINZHAO.Progress in terahertz 在实验技术方面,现有的太赫兹时域光谱系统和成 testingLJ J.Chinese Journal of Scientific 像系统比较品贵。另外,当前太赫兹技术在纤维材 nstrument,.2008,29(7):1563-1568 张雯,雷银照,太赫整无损检测的进展[J门,仪器仪表学 料方而的应用大都处于实验阶段,因此有待进一步 的提高其实际生产中的应用。随若科研水平的不断 报,2008.29(7):15631568. [9]BAXTER J B.GUGLIETTA G W.Terahertz spectroscopy 提高和研究的不断深入,相信太赫兹光普技术在纤 维材料中的应用会取得更大的突破 ]Analytical Chemistry.2011.83(12):4342-4368. [10]FERGUSON B.ZHANG X C.Materials for terahert science and technology [J].Nature Materials.2002.1 参考文献 (1):26-33 [1]GAO XIANG.LIU HAIQING.JIE YINXIAN.et al. [11]LIU SHENGGANG.ZHONG RENBIN.Recent deveh Experimental study of THz CW higl-power DCN laser opment of terahertz science and technology and it's ap [1].Laser Techpology.2006.30():64-66. plications[].Journal of University of Electronie Sci 高翔,刘海庆,揭银先,等,太赫兹连续波DCN激光器的 ence and Technology of China.2009.38(5):481-486. 实验所究[J].激光技术,2006,30(1):64-66. 刘盛纲,钟任斌。太赫整科学技术及其应用的新发展 [2]LI QI.YAO RUI.YIN QIGUO.et al.Recent advance of J].电子科技大学学报.2009.38(5):481-486. CO.-pumped thz imaging[J].Laser Technology.2009. [121 ZHEN XIN.LIU CHAO.Recent development of TH 33(2).151-155. technology and its application in radar and communic 李琦,姚存,尹奇国,等.C,激光抽运太赫兹成像研究 tion system[]Joumal of Microwaves.2011.27(1): 新讲展「11激光技术,2009,33(2),151-155. 1-6. [3]MA XINRAN.WANG ACHUAN.LI JIA.et al.The ap 郑新,刘超.太赫兹技术的发展及在雷达和通讯系统中 plication of THz speetrum technology in wood industr 的应用(Ⅱ)0].微波学报,2011,27(1):1-6. [1]Wood Processing Machinery.2015.26(1:55-58 [13]WANG YIFENG.MAO JINGXIANG.Analysis on de 马欣然,王阿川,李佳,太赫兹波语技术在木材工业中的 velopment status of terahertz technology and applica 应用[U].木材加工机械,2015(1):55-58. tion prospect Electro-optic Technology Applica [4]YANG GUANGKUN.YUAN BIN.XIE DONGYAN.et tiom.2008.231):-4. al.Analysis on the use of THz technology in the military 王忆锋,毛京相.太赫萃技术的发展现状及应用前景分 870 1994-2018 China Academic Joumal Electronic Publishing House All rights reserved http://www.cnki.ne
图10 BWO 连续太赫兹波成像系统结构 Fig.10 StructureofBWOcontinuousterahertz waveimagingsystem 3 结论 目前,太赫兹技术在纤维材料领域正处于飞速 发展时期,相比于其他成熟的光谱技术,具有透视性 好,安全性高,空间分辨率强等优势。但同时也存在 着很大的困难和挑战,例如在理论研究中,太赫兹脉 冲和纤维材料之间相互作用的参数还很缺乏,需要 更加详尽的了解太赫兹波与纤维的相互作用机理。 在实验技术方面,现有的太赫兹时域光谱系统和成 像系统比较昂贵。另外,当前太赫兹技术在纤维材 料方面的应用大都处于实验阶段,因此有待进一步 的提高其实际生产中的应用。随着科研水平的不断 提高和研究的不断深入,相信太赫兹光谱技术在纤 维材料中的应用会取得更大的突破。 参考文献 [1]GAO XIANG,LIU HAIQING,JIE YINXIAN,etal. ExperimentalstudyofTHzCW high-powerDCNlaser [J].LaserTechnology,2006,30(1):64-66. 高翔,刘海庆,揭银先,等.太赫兹连续波 DCN 激光器的 实验研究[J].激光技术,2006,30(1):64-66. [2]LIQI,YAORUI,YIN QIGUO,etal.Recentadvanceof CO2-pumpedthzimaging[J].LaserTechnology,2009, 33(2):151-155. 李琦,姚睿,尹 奇 国,等.CO2激光抽运太赫兹成像研究 新进展[J].激光技术,2009,33(2):151-155. [3]MAXINRAN,WANGACHUAN,LIJIA,etal.Theap- plicationofTHzspectrumtechnologyinwoodindustry [J].WoodProcessingMachinery,2015,26(1):55-58. 马欣然,王阿川,李佳.太赫兹波谱技术在木材工业中的 应用[J].木材加工机械,2015(1):55-58. [4]YANGGUANGKUN,YUANBIN,XIEDONGYAN,et al.AnalysisontheuseofTHztechnologyinthemilitary application[J].Laser&Infrared,2011,41(4):376-380. 杨光鲲,袁斌,谢 东 彦,等.太赫兹技术在军事领域的应 用[J].激光与红外,2011,41(4):376-380. [5]ZHANGZHENWEI,CUIWEILI,ZHANGYAN,etal. Terahertztime-domainspectroscopyimaging[J].Journal ofInfraredandMillimeterWaves,2006,25(3):217-220. 张振伟,崔伟丽,张 岩,等.太赫兹成像技术的实验研究 [J].红外与毫米波学报,2006,25(3):217-220. [6]SHENJINE,RONGJIAN,LIU WENXIN.Progressof terahertzincommunicationtechnology[J].Infraredand LaserEngineering,2006,35(z3):342-347. 申金娥,荣健,刘文鑫.太赫兹技术在通信方面的研究进 展[J].红外与激光工程,2006,35(z3):342-347. [7]SHEN FEI,YING YIBIN.Applicationsofterahertz spectroscopyandimagingtechniquesinfoodsafetyin- spection[J].SpectroscopyandSpectralAnalysis,2009, 29(6):1445-1449. 沈飞,应义斌.太赫兹光谱和成像技术在食品安全检测 中 的 应 用 [J].光谱学与光谱分析,2009,29(6): 1445-1449. [8]ZHANG WEN,LEIYINZHAO.Progressinterahertz nondestructivetesting[J].ChineseJournalofScientific Instrument,2008,29(7):1563-1568. 张雯,雷银照.太赫兹无损检测的进展[J].仪 器 仪 表 学 报,2008,29(7):1563-1568. [9]BAXTERJB,GUGLIETTA G W.Terahertzspectroscopy [J].AnalyticalChemistry,2011,83(12):4342-4368. [10]FERGUSON B,ZHANG X C.Materialsforterahertz scienceandtechnology[J].Nature Materials,2002,1 (1):26-33. [11]LIUSHENGGANG,ZHONG RENBIN.Recentdevel- opmentofterahertzscienceandtechnologyandit'sap- plications[J].JournalofUniversityofElectronicSci- enceandTechnologyofChina,2009,38(5):481-486. 刘盛纲,钟 任 斌.太赫兹科学技术及其应用的新发展 [J].电子科技大学学报,2009,38(5):481-486. [12]ZHEN XIN,LIU CHAO.RecentdevelopmentofTHz technologyanditsapplicationinradarandcommunica- tionsystem[J].JournalofMicrowaves,2011,27(1): 1-6. 郑新,刘超.太赫兹技术的发展及在雷达和通讯系统中 的应用(Ⅱ)[J].微波学报,2011,27(1):1-6. [13]WANG YIFENG,MAOJINGXIANG.Analysisonde- velopmentstatusofterahertztechnologyandapplica- tionprospect[J].Electro-optic Technology Applica- tion,2008,23(1):1-4. 王忆锋,毛京湘.太赫兹技术的发展现状及应用前景分 — 807 —

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