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 —