太赫兹（Terahertz）波，是指波长范围为3 mm~30 μm，频率范围为100 GHz~10 THz的一类电磁波，又称T射线（T-rays），在某些领域也被称为远红外辐射或毫米波、亚毫米波。虽然大自然中太赫兹辐射源随处可见，但由于缺少有效的源发射太赫兹波，并且对太赫兹波的探测也缺乏有效的手段和设备，致使在很长一段时间内人们对太赫兹波的了解并不深入。因此，太赫兹波曾一度成为电磁波谱中不为人所知的“空白”。直至20世纪80年代，超快激光技术的蓬勃发展为太赫兹波的产生带来了可能，太赫兹科学开始引起人们的广泛关注。
无损检测技术具有无损性、即时性等特点，在航空航天、汽车工业、化工等领域得到了广泛应用。目前应用较广的无损检测手段包括超声检测、射线检测、磁粉检测、渗透检测、涡流检测5种。可根据使用场合、材料等条件的不同，选择适当的探伤方式进行检测。上述5种检测方法各有其特点和优势，但不能够完全适用于任何场合。太赫兹无损检测作为一种新兴的无损检测手段，可以与传统的检测方法相互弥补，为复合材料的无损检测提供更加全面的技术支持。
随着近年来材料科学的迅速发展，越来越多的高新材料被广泛应用。而许多领域对材料的内部规整性有着极高的要求，这就要求在改良制备工艺以提高材料整体质量的同时，寻找一种有效的手段对材料进行非破坏性探伤，从而确保材料在使用过程中的可靠性。对于磁性材料、高分子复合材料以及泡沫、陶瓷、塑料等应用广泛的材料，可见光、红外线甚至是超声波都不能透过。而对于通常的射线检测方法而言，无论是上述材料本身，还是材料中可能出现的缺陷，如孔洞、错位、裂缝等，都是几近透明的，因此难以对材料内部的缺陷清晰成像，这就使得对这类材料的无损检测受到限制。
太赫兹波对大部分非金属、非极性材料具有较好的穿透能力，可利用太赫兹波结合成像技术，对这类材料的内部缺陷进行无损探伤。太赫兹波的光子能量较低，频率为1 THz的太赫兹脉冲光子能量只有4 meV，相比X射线（keV）的光子能量而言，不会使被检测对象产生光致电离，具有更高的安全性。此外太赫兹波对水十分敏感，要求被测物质干燥，但也可利用水对太赫兹波的吸收特性检测某些物质的水分含量。
THz-TDS扫描成像系统具体光路如图1所示。由脉冲激光器发出的超快激光脉冲经过偏光分束镜被分为两束，一束作为泵浦光，入射到太赫兹发射器（如光电导天线、半导体晶片、非线性晶体等）上，用于产生太赫兹脉冲，此脉冲经抛物面镜聚焦后入射到待测样品上。分束镜分出的另一束太赫兹脉冲将作为探测光，它与从样品中透射出的载有样品信息的太赫兹电磁脉冲共线经过太赫兹探测器（如GaAs光电导开关或电光晶体）。调整时间延迟装置，测量不同探测光到达时间下太赫兹电场强度的变化量，对其进行傅里叶变换，获得频域上幅度和相位的变化量；最后，信号经电流前置放大器、数字信号处理器输入计算机，对采集到的数字信号进行图像处理，得到被测样品在该点处的缺陷图像。在x-y移动台上移动样品，使太赫兹脉冲通过被测样品的不同点，对其进行逐点扫描，记录下该样品不同位置的透射谱信息，就可以获得整个样品的图像，从而测得样品缺陷的整体存在情况。
近年来，复合材料领域迅猛发展，越来越多的复合材料被应用在航空航天、船舶、汽车以及核工业等高新领域，利用太赫兹波对复合材料进行无损检测的热潮也应运而生。
所谓复合材料，可以是金属材料、无机材料、高分子材料中任意两种或两种以上的复合，通过物理或化学作用，将会形成并得到兼具各材料优点的新材料。但将组成、结构相差甚远的材料复合到一起时，它们的结合不可能达到完美，并且每一种基材自身也可能存在一定的缺陷，而这些缺陷将会成为材料使用过程中的薄弱环节，也就是说，材料很可能在实际使用条件未达理论上限时就从这些薄弱环节开始发生破坏。
为保证材料在后期使用过程中的可靠性，在复合材料的生产、加工、使用过程中对其进行缺陷检测十分必要。利用太赫兹无损检测技术，可以在上述各个环节有效检测复合材料可能产生的各种缺陷，而关于太赫兹检测技术工业化及其检测设备小型化的研究已成为当下无损检测领域研究的又一热点。
伦斯勒理工学院太赫兹研究中心的谢旭等，在一块SOFI绝热泡沫中人工设置了8个在实际生产制造中可能出现的缺陷，并利用时域扫描（TDS）的方法对样品进行了试验。试验所用的超快激光脉冲中心波长为800 mm，脉宽130 fs。实验过程中激光脉冲被分为两束，一束作为抽运光束用来产生太赫兹脉冲，另一束作为探测光。太赫兹脉冲照射到样品上时会穿透SOFI泡沫，被铝合金底板反射后第二次穿过泡沫层，这时两束脉冲同时被聚焦到探测晶体上，利用平衡探测与锁相放大相结合的方法进行测量，在时域上平移抽运光束即可得到试验样品在该点的信息。在x-y平面上移动样品以对样品进行二维扫描，继而得到整个样品的信息。处理得到的数据，可以得到SOFI泡沫内部的缺陷图像。
为探究太赫兹无损检测方法对PMI泡沫的可行性，在一块厚度为35 mm的PMI泡沫表面上预置了两个孔洞缺陷，如图7所示，利用THz-TDS系统对该样品进行缺陷检测，分辨力为1 mm，其成像结果如图8所示。成像结果表明，利用太赫兹波在缺陷处发生散射这一原理对PMI泡沫进行缺陷检测的方法，能够有效检测到PMI泡沫中存在的孔洞缺陷，并且缺陷的位置和大体形貌可以较为清晰地体现在成像效果图当中。
结 论
近年来，美国等发达国家在太赫兹无损检测领域投入了大量的人力、财力，以发展太赫兹技术在复合材料无损检测方面的应用。国内也顺应前沿科技的潮流，兴起了太赫兹无损检测的热潮。
总体来讲，利用高分子材料、复合材料在太赫兹波段的半透明性，可以检测到其表面以及内部缺陷（如杂质、位错、分层、孔洞、脱胶、氧化等）的存在。当太赫兹波入射到缺陷处时将会发生不同程度的散射，能量将被消耗，因此在成像效果图上，将会呈现出缺陷的大致形貌，但目前的成像手段还不足以检测到微小尺寸缺陷。改进成像算法，提高成像分辨力将会有效提高探测精确度。
国内已有成功利用太赫兹波对一些复合材料、高分子材料进行无损检测的先例，但我国的太赫兹无损检测技术才刚起步，不仅难以实现快速成像，且缺少方便快捷的硬件设施，使得这一技术的实际应用大大受限。无论是理论研究还是技术改进，都有很长的一段路要走。但总体来讲，太赫兹无损检测技术拥有其独特的优点，随着复合材料在航空航天、汽车制造业、电子以及体育用品等产业的广泛应用，必将开拓更加宽广的市场环境，作为一项新兴的探测技术，也必将受到更多的重视，在不久的将来造福于人类。
