基于太赫兹光谱近场成像技术的应力场测量方法

Terahertz (THz) electromagnetic wave can penetrate many optically opaque materials (for example some composites and ceramics), so that it can be used to obtain information in these materials. In this project, a new 2D stress field measurement technique is proposed by combining THz-TDS imaging and THz polarization state detection technology. The main focuses of this projection are to research the principles of stress measurement by terahertz wave, and establish the stress measurement system with high resolution and speed. Problems regarding the following four aspects are discussed. First, an effective model will be developed to descript the dispersion of stress-optical effect. Secondly, the effective technique will be established to determine the coefficients of anisotropic stress-optical effect. Thirdly, a sensitive THz spectrum imaging system will be established by introducing single-pulse chirped amplification and near-field scanning technology. Fourthly, an stress-sensing optical path will be developed in THz-TDS system, and the algorithm for stress determination will be established. Finally, the previously mentioned techniques will combined to establish a stress field measurement system for optically opaque materials with high resolution and speed. This technique will be a promising method for stress measurement for opaque materials.

太赫兹波能穿透很多不透明的非金属材料（如部分复合材料，陶瓷材料等），利用它能直接探测这些材料内部的信息。本项目旨在通过建立考虑色散的各向异性应力光学效应表征模型，综合利用太赫兹时域光谱（THz-TDS）成像和太赫兹偏振态感知两项关键技术实现对不透明材料二维应力场的测量。重点研究该方法的测试原理及技术，并建立相应的快速高分辨应力场测试系统。拟重点解决以下四方面的问题： 1）研究应力光学效应的色散现象及其表征模型，2）研究各向异性应力光学效应系数的测定方法；3）建立基于单脉冲展宽和近场扫描的THz-TDS系统，实现亚波长分辨率太赫兹光谱图像的快速采集；4）建立适用于THz-TDS系统的应力传感光路，并开发相应的应力提取算法。最后，综合利用上述技术，建立快速高分辨的不透明材料二维应力场测量系统，发展成为一种全新的应力场测量技术。

实验力学中的光弹性方法作为一种可以直接测量材料内部应力的实验技术。该方法的不足是必须使用光弹性材料制作被测物的比例模型，而不能直接用于被测物，这限制了它的推广应用。太赫兹波（介于微波和红外波之间的电磁辐射）可以穿透大多数非金属不透明材料，同时它作为电磁波在穿过介质时也具有应力双折射效应。因此，利用太赫兹波作为媒介有望发展出一种全新的不透明材料内部应力的测量方法。. 本项目通过建立考虑色散的各向异性应力光学效应表征模型，综合利用太赫兹时域光谱（THz-TDS）成像和太赫兹偏振态感知两项关键技术实现对不透明材料二维应力场的测量。具体的我们完成了如下四项研究内容1）研究应力光学效应的色散模型及其对所测应力的约束关系。通过实验发现了，透射太赫兹波的相位曲线和频率成线性关系，其比例系数就是各个应力光学系数或光学系数的组合。2）研究各向异性应力光学定律的表征及其应用。以晶体光学为基础，建立测量各向异性材料光学参数的测量理论。3）研究快速高分辨率获取太赫兹光谱图像的关键技术。在提高测量速度方面，我们利用光电斩波器代替传统机械斩波器，使单个光普数据的测量速度由原来的1分钟提高了20秒，极大地提高测量速度；4）开发基于THz-TDS的应力场测量系统。改进了传统THz-TDS的光路系统，使其具备偏振态调控和感知能力，并建立测量模型，从而根据太赫兹脉冲的幅值、相位和偏振态等信息中获取应力信息。. 综上，本项目建立了一种快速高分辨的不透明材料二维应力场测量系统，发展成为一种全新的应力场测量技术。. 本项目完成了项目任务书中规定的各项任务，达到预期目标。项目任务书中所列的各项考核指标均以完成。项目经费支出合理，符合基金委的相关财务要求。

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