基于太赫茲技術研究和分析ABS中的衰減函數

徐帆+田永紅+王曉冬+苗昕揚+趙昆

摘要：利用太赫茲光譜技術對3D打印機打印的不同厚度ABS樣品進行透射實驗，發現樣品的厚度與延遲時間呈線性變化，同時還發現厚度與峰值存在一定的指數關系。通過函數擬合和菲涅爾公式的光學參數模型，構建出了太赫茲波在ABS中衰減函數。

關鍵詞：太赫茲光譜技術；ABS；衰減函數

0 引言

ABS 樹脂是由丙烯腈（ A ）、丁二烯（ B）和苯乙烯（ S） 三種單體共聚而成的熱塑性聚合物，它是介于通用塑料和工程塑料之間的一種高分子材料，近年來 ，ABS 材料大量的應用于電子電器、汽車、器具及輕工產品。

太赫茲時域光譜（terahertz time-domainspectroscopy，簡稱 THz-TDS）技術是基于超快激光的遠紅外波段光譜測量新技術，正因為太赫茲波位于遠紅外波段，所以它的光子能量較低，對某些非極性物質它的穿透性高，不會引起物質發生光致電離而破壞物質的內部結構的。為了實驗的需求，我們結合3D打印技術與太赫茲光譜技術，其中3D打印（又稱增材制造）在制造方式上具有的顯著優勢，它可以有效幫助自己打印各種不同的ABS制品，例如各種厚度均勻的外殼和各種不同大小的樣品槽。在塑料制品缺陷評價方面，3D打印作為一種技術輔助手段可以很好的探討太赫茲波在ABS中的衰減過程。

實驗裝置

試驗中采用的3D打印機規格是da Vinci 2.0 Duo，打印機使用的熔絲制造法（FFF）打印技術；打印機的噴頭直徑為0.4mm，打印范圍15*20*20cm，打印機的標準分辨率是200microns，耗材直徑：1.75mm，采用的操作軟件是XYZware（可識別文件格式.stl）。？da Vinci 2.0 Duo采用全新雙噴頭設計，打印作品不受單色打印的限制，可一次呈現兩種顏色，方便快速成型，其結構簡圖如圖1左圖所示。打印機的原廠耗材使用的是ABS，其優異的物理特性及成色，讓打印成品具堅固以及二次加工容易與色澤最飽和等特性。

試驗中采用的透射式 THz-TDS 系統是由中國的大恒光電研制的，其信噪比為 1000 dB，譜分辨率超過 40 GHz。利用該系統做實驗時是在室溫下（約 292 K）進行的，THz 光路罩在充有氮氣的箱體內，箱內相對濕度為 4.0%。利用該系統

可以測試3D打印的ABS樣品的不同厚度的THz 時域光譜。

2實驗現象和

用proe軟件設計好臺階模型，其整體尺寸是40mm*18mm*8mm，小臺階的高度差是0.5mm，其長寬是12mm*10mm。用proe設計好模型后將其導出，以一定的文件格式保存，然后導入到3D打印機專用的軟件XYZware中，設置好打印機的各種參數后就可以打印出我們需要的臺階模型。將打印好的樣品進行拋光處理后放到太赫茲光譜儀上進行透射實驗，得到了一系列關于不同厚度的光譜圖，利用MATLAB程序分別提取其對應的延遲時間和波峰的峰值。

隨著厚度的增加，其峰值對應的延遲逐漸變大；利用origin中擬合函數模型對d與t進行線性擬合，其擬合度高達0.998，說明隨著厚度d的增加，它與時間t之間存在著線性關系。下圖是d與信號峰值EP之間的變化趨勢，其中散點是對應的數據點，黑色實體線是擬合直線。由圖中可以看出，隨著d的增加，太赫茲信號的峰值信號在逐漸減小，但與深度d之間并不存在明顯的線性關系，用e指數對其進行擬合其擬合度最高，到達了0.994，這是其它擬合函數或者建模函數無法達到的。

3 實驗結果分析與探討

由飛秒激光器激發光電導體產生的太赫茲波通過均勻的高分子材料ABS時，峰值對應的延遲時間t與厚度d存在線性關系。也就是說太赫茲波在單一介質傳播，其傳播速度幾乎保持不變。峰值EP與厚度d存在著e指數的變化規律，也就是說太赫茲波的能量隨著厚度d呈現e指數的衰減。

在處理光學相關的問題時，提取光學參數時主要用到的是菲涅爾公式的參數模型。該模型主要提取折射率和振幅模比等光學參數，分別描述樣品的吸收和色散以及折射特性。在標準的空氣環境中傳播距離d 后，得到參考信號 Er（？），通過樣品后信號為 Es（？），其帶有樣品的信息。

擬合曲線模式中的A對應數據處理模型中的A（？），y0對應著太赫茲波透過距離趨近無窮遠時空氣參考后的信號強度，R0d對應數據處理模型中的？（ω）；同時折射率n與f、c、v和？之間也存在一定的關系，經過變換后得到R_0=（（n-1）"？" ）/c，這樣就得到太赫茲波在ABS中傳播時其折射率、頻率以及光速之間比例關系。

4 現象總結

利用MATLAB程序提取太赫茲時域光譜信號中峰值和延遲時間，分析不同厚度ABS樣品與時域波形的最大值、樣品信號峰值對應的的延遲時間關系。實驗結果表明：不同厚度的ABS制品的時域信號相對于參照空氣中的信號都有一定的幅值衰減和時間延遲；隨著ABS樣品厚度的增加，樣品厚度d與t表現出了明顯的線性關系；同時隨著厚度d的增加，時域波形峰值EP總體呈現e指數衰減，這樣就與菲涅爾公式的光學參數模型一樣，即光波能量隨著距離在相對均勻的介質中以e指數的形式衰減。

參考文獻：

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