以THz波为光源的红外热波检测系统

摘要

本发明涉及一种新的热波检测系统，它采用THz波作为热源对物体进行加热，并使用热成像仪监测试件表面温度场的变化和这种变化的出现与所施加的THz波热源在位相上的关系。其中采用同步或时序控制器来控制THz波的发射和成像仪的检测。利用计算机对所获得的数据进行热波传输计算处理和数据拟合，从得到的温度场变化信息获得材料内部缺陷和非均匀性信息。

说明书

技术领域

本发明涉及无损探伤检测技术领域，尤其涉及红外热波检测的方法和仪器。

背景技术

红外热波无损探伤技术在许多文献中均有报道，它是通过特殊模式的热激励，采用现代红外成像技术，并在计算机控制下进行时序热波信号探测和数据采集，使用根据热波理论模型和现代图像处理理论模型而研制的专用计算机软件进行实时图像信号处理和分析，获得物体内部的数字层析图，从而可在工程现场和外场对物体内部缺陷或损伤进行三维可视化的定量诊断。

红外热波无损探伤技术应用的范围非常广泛，例如：航空、航天、军工领域中对飞行器的安全检测，各种工业制造行业中对产品质量的监测，对设备运转情况的监测，产品研发过程中加载或破坏性试验后对产品的评估，探测表面及表面下的裂纹，金属疲劳程度评估，各种粘接、焊接、涂层质量检测等等。

红外热波无损探伤技术的一个核心是针对各类试件选择不同特性的热源对试件进行周期、脉冲、直流等函数形式的加热。

目前大多采用激光光源对物体进行加热，如US4950897、US4874251等。

US6236049中采用超声波对缺陷部分加热，并用红外成像技术检测物体表面的温度，超声波仅加热缺陷部位，而对于其它没有缺陷的部分几乎不加热，因此热成像所得的信号很强，以至于表面不用覆盖放射物质，而且它具有更高的灵敏度，可以检测到更小的裂缝，或者完全闭合、垂直的裂缝。

在对其它构件检测诊断时可根据具体情况选用不同的热激励方式，包括超声、微波、可见光、感应、电流、气、液、机械振动加热等。

THz波通常指的是波长在3.3mm-33μm(～100GHz-10THz)区间的电磁辐射，其波段位于微波和红外光之间。由于一直缺乏有效的产生和检测方法，人们对该波段电磁辐射性质的了解非常有限，以致于长期以来该波段被称为电磁波谱中的“THz空隙”。近十几年来超快激光技术的迅速发展，为THz脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，促进了THz波辐射的机理研究、检测技术和应用技术的蓬勃发展。

THz脉冲光源与传统光源相比具有很多独特的性质：

(a)THz脉冲的典型脉宽在亚皮秒量级，不但可以进行亚皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，而且通过取样门测量技术，能够有效地防止背景辐射噪音的干扰。目前，对THz波强度测量的信噪比可大于10⁶。

(b)THz脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆盖从GHz直到几十THz的范围。

(c)THz波是由相干电流驱动的偶极子振荡产生、或是由相干的激光脉冲通过非线性光学差频产生的，具有很高的时间和空间相干性。更为重要的是，现有测量技术可以同时获得其带宽覆盖的各频率分量的振幅和位相、而无需借助于Kramers-Kronig关系进行后期处理，而通常的光学技术是无法做到这一点的。

(d)THz波光子的能量只有毫电子伏特，因此不容易破坏被检测的物质。

THz波作为一种新型远红外相干光源，目前主要的应用集中在两个方面，即THz波时域光谱分析和THz波成像研究，可能的应用包括THz波医学成像，生物分子构象的THz波时域光谱分析，无标记DNA分子探测，THz波显微成像等。

发明内容

本发明涉及一种新的红外热波检测系统，它采用THz波作为热源对物体进行加热，并使用热成像仪监测试件表面温度场的变化和这种变化的出现与所施加的THz波热源在位相上的关系。其中采用同步或时序控制器来控制THz波的发射和成像仪的检测。利用计算机对所获得的数据进行热波传输计算处理和数据拟合，从得到的温度场变化信息获得材料内部缺陷和非均匀性信息。在监视器中可以看到被检物体的像，其中物体内部缺陷的部位与相对应的完好的部位表现为图象上的亮度差异。

本发明由三个分系统组成：THz波光源产生系统，THz波照射加热系统，THz波成像系统，各分系统通过光路实现协同工作。

目前THz波光源的产生方式有多种，如自由电子激光器、耿氏振荡器、光导天线、电光晶体(光整流)、气体激光器(CO₂)和半导体激光器。

THz波的成像是通过电光效应实现的，将激光和THz波通过电光调制元件，THz波作为相应的电场，激光通过电场发生偏转，偏转角含有物体表面温度场序列的信息，计算机软件根据表面温度场的动态时间历程和传热学模型推算出材料各层深度的温度或热学特性参数分布，再利用这些计算结果做层析数字图像重构，进行缺陷刻画，显示缺陷图。

本发明的检测系统可以对任何样品进行检测，包括复合材料、金属、生物样品等。它可以用来检测样品内部的缺陷，包括裂痕、裂缝、腐蚀等，还可用于各种薄膜、镀膜的检测以及用于晶体杂质检测。

采用THz波作为光源进行红外热波检测，可以同时获得其带宽覆盖的各频率分量的振幅和位相，因此，与只能测量强度的X射线相比，THz波红外热波检测具有更好的检测结果。

附图说明

图1：采用THz波作为光源对样品进行检测的泵浦—探测系统示意图。

具体实施方式

参照图1，此红外热波检测系统将THz波的产生系统、THz波的加热系统和THz波成像系统融为一体，由激光器1发出一束脉冲光源，波长为800nm，脉宽为30fs，穿过偏振器2，经过分束镜3将光束分成两束，其中一束泵浦光穿过分束镜3和分束镜4照射在晶体5上，并产生一束脉冲的THz波，这束THz波经过抛物面反射镜6、斩波器7、抛物面反射镜8照射在样品9上，然后样品9上反射的THz波按照原路，经过抛物面反射镜8、斩波器7、抛物面反射镜6返回到晶体5并穿过晶体5，晶体5为ZnTe电光晶体。另一束由分束镜3反射的探测光通过一个由反射镜10、11、12组成的延迟光路，经分束镜13到分束镜4照射到晶体5上，经晶体5后表面反射回的探测光在晶体5中受到由样品9返回的THz波的调制，按原路经分束镜4，穿过分束镜13由反射镜14反射到偏振器15，然后经过光电转换器16产生信号，并将此信号通过锁相放大器传输到计算机中进行处理，最终得到被检物体内部的图像。

上述实施方式中，晶体5也可以选用GaAs、InAs、InP或GaAsP电光晶体。