多組件太赫茲時域波譜儀及其應用研究

李仕昌，趙佳宇，彭 滟，朱亦鳴

（上海理工大學 上海市現代光學系統重點實驗室，上海 200093）

引 言

公共安全一直是社會關注的重點。目前在危險品檢查中，主要采用X射線安檢設備、磁性探測器、拉曼光譜分析儀、人工檢查等方法，但這些安檢至少用時5～10 s，并且難以準確地識別出易燃易爆危險品。因此這些方法均無法既快又準地測出危險品，還會使大人流發生擁堵，造成踩踏等次生事故。

近幾年隨著檢測技術的發展，太赫茲波譜檢測技術因具有瞬時性、相干性、穩定性和無損性等特點，已越來越多地應用在安檢中[1-3]。太赫茲對非極性材料（如紙張、泡沫、塑料等）有穿透特性，具有無損、非侵入檢測的能力，而許多爆炸物都是含有硝基的芳環化合物，且多種爆炸物分子的轉動和振動譜位于太赫茲頻段[4-7]，所以太赫茲波譜檢測技術對檢測和識別爆炸物具有獨特的優越性。由于現在的太赫茲時域波譜系統大多在自由空間中搭建，因其結構復雜、穩定性差、對環境要求高、占用體積大等，不便攜帶及運輸，而且透射式或反射式波譜系統功能單一，難以在不同場合的危險品檢查中應用[8-9]。

針對現有太赫茲波譜測試技術的不足，我們在現有太赫茲波譜儀基礎上設計了多組件太赫茲時域波譜儀，采用保偏光纖代替自由空間的光學鏡片，系統檢測部分（探頭）和主體部分（主機）分離，僅采用光纖和電纜連接[10-11]。探頭部分包含透射、反射多組組件，實現一機多用的功能，優化了現有波譜系統的不足，節省了儀器成本。該儀器針對固體、液體不同形態的危險品，可以采用不同的探頭進行檢測[12-13]。通過使用黑索金（環三亞甲基三硝胺，簡稱RDX）檢測固態和液態汽油，驗證儀器的可行性和準確性[14-21]。

1 系統組成

多組件太赫茲時域波譜儀采用保偏光纖代替自由空間的光學鏡片，系統分為檢測部分（探頭）和主體部分（主機）兩個部分，兩個部分只通過電纜線和光纖連接，有利于整體移動和系統運輸。探頭部分包含透射、反射兩種模式，每個探頭器件都固定在密閉穩定結構（工裝）內，以防環境變化對儀器信號造成不良影響。多組件太赫茲時域波譜儀主機布局如圖1所示，主機由激光器、延遲線、高速數據采集鎖放板等組成。激光器產生中心波長為1 560 nm、重復頻率為100 MHz、功率為30 mW的兩束飛秒激光，一束為泵浦光，另一束為探測光。泵浦光經過1 m的保偏光纖連接在主機殼上的泵浦光法蘭接口上，探測光經過延遲線連接主機殼探測光法蘭，光纖長度也為1 m。高速數據采集鎖放板包括鎖放板和高壓板：鎖放板用于提供參考信號和太赫茲信號采集；高壓板放大參考信號同時為發射天線提供高壓。太赫茲信號采集端和放大后的高壓信號分別用電纜線連接在主機外殼對應連接口上。整個主機實物圖如圖1（b）所示，主機內器件設計非常緊湊，體積僅為45 cm×45 cm×20 cm，質量僅有8 kg。

圖1 主機結構圖和實物圖Fig. 1 The structure and photograph of THz instrument

主機外殼采用ABS塑料材質，ABS塑料具有抗沖擊性、耐熱性、耐腐蝕性及電絕緣性等優點，因此外殼可對儀器起到很好的保護作用。外殼上有四個接線口，分別為高壓線、泵浦光、探測光、信號線。泵浦光和高壓線連接探頭的發射天線，為發射天線提供飛秒激光和電壓；探測光和信號線連接探頭的接收天線，用于檢測太赫茲信號。針對固體、液體不同形態的易燃易爆危險品，分別設計了透射模塊和反射模塊。

針對固態易燃易爆危險品檢測，設計的透射式模塊如圖2所示。圖2（a）是透射式模塊光路，發射天線發射的太赫茲光經過TPX透鏡后成為平行光，經過拋物面鏡照射在被檢樣品上，再經過拋物面鏡和TPX會聚在接收天線上。整個透射模塊被固定在穩定結構（工裝）內，在工裝內放置干燥劑，以減少水蒸氣對太赫茲光的影響。在圖2（b）是透射式模塊工裝實物圖片，整個工裝僅樣品槽窗片可打開取放待檢測樣品，檢測樣品前需把樣品槽窗片關閉。使用過程中，僅需將透射模塊上的光纖（長1 m）及電纜線連接主機，樣品固定在樣品槽內。

圖2 透射式模塊光路及實物圖Fig. 2 The optical path and photograph of the transmission module

針對瓶裝易燃易爆液態危險品，設計了反射式模塊，如圖3所示。圖3（a）是反射式模塊光路，發射天線發射的太赫茲光經過兩片TPX透鏡照射在待測樣品上，樣品反射的太赫茲信號經過兩片TPX透鏡會聚在接收天線上，發射天線與接收天線光軸夾角（θ）為16°（受TPX鏡片限制的最小角度）。反射模塊被安裝在封閉的工裝組件內，圖3（b）是反射式模塊工裝實物圖，樣品檢測端采用透太赫茲光的特氟龍板封閉，工裝內部為真空，以減少空氣對太赫茲光的影響。必須注意的是，在使用反射模塊檢測瓶裝液態危險品時，要保證瓶外壁緊貼特氟龍板表面。

圖3 反射式模塊光路圖和實物圖Fig. 3 The optical path and photograph of the reflective module

2 實驗結果與討論

2.1 系統信號

多組件太赫茲時域波譜儀搭建調試后，其透射式太赫茲時域信號和頻域信號如圖4所示。在圖4（a）中總掃描長度是64 ps，一個太赫茲波形掃描時間為1 s，主脈沖出現在11 ps處，發射天線處的硅透鏡造成的反射峰出現在49 ps處。太赫茲時域信號經快速傅里葉變換后得到相應的頻域信號，如圖4（b）所示，頻域信號譜寬 ＞ 5 THz，信噪比 ＞ 50 dB，透射式和反射式會聚光光斑直徑約為3 mm。

圖4 太赫茲時域和頻域信號Fig. 4 Terahertz time-domain and frequency-domain spectra

2.2 透射式樣品制備及檢測

多組件太赫茲時域波譜儀搭建完成后，選用固體RDX為檢測樣品。RDX為白色粉末狀結晶，其分子式為C3H6N6O6，可溶于丙酮、乙酸等，它是一種重要的單體炸藥，化學安定性好，爆速較高，撞擊和摩擦等機械感度也較大，廣泛用于軍事、航天、采礦和化工技術等領域，具有很高的研究價值。通常情況下，RDX對THz的吸收很大，無法得到明顯有用的特征信息。如果RDX樣片（RDX粉末經壓制所得）厚度太薄且硬度不足，在測試時樣片容易損壞，因而在制作壓片時會使用對光吸收較弱的高密度聚乙烯（PE）粉末作為稀釋劑和粘合劑與RDX粉末進行混合壓片。將RDX純品粉末（20 mg）與PE粉末（100 mg）均勻混合，并在瑪瑙研缽中研磨成細小均勻顆粒，采用 5 t壓力將粉末壓制成厚約1 mm、直徑為13 mm的圓片樣品，并保證樣片表面光滑，前后表面平行。

將樣品固定在儀器的透射式模塊（圖2）樣品槽內，測得透過樣品的太赫茲時域脈沖信號，該時域脈沖信號再通過程序進行快速傅里葉變換，得到樣品信號與參考信號在頻域上的電場表達式，分別用Esam和Eref表示，則樣品的吸光系數可以表示為

式中：d為樣品厚度；Isam(ω)=Esam(ω)×Es*am(ω)為樣品信號的功率譜；Iref(ω)=Eref(ω)×Er*ef(ω)為參考信號的功率譜。選取由100 mg PE粉末壓制成藥片的太赫茲信號作為參考信號，PE藥片厚度與樣品厚度相當。圖5是透射式模塊檢測到的RDX吸收譜線，在0.824 THz、1.40 THz、1.67 THz、1.72 THz和1.92 THz處有明顯的吸收譜峰，亦為RDX的特征峰，這與首都師范大學科研團隊所測的RDX的太赫茲吸收譜基本一致，因此根據太赫茲頻譜吸收峰可準確檢測出RDX固體炸藥。

2.3 反射式樣品制備及檢測

圖5 RDX 的太赫茲透射吸收譜Fig. 5 Terahertz absorption spectrum of RDX in transmission mode

汽油作為石油產品，為透明液體，易燃，主要由碳原子數為C4～ C12的烷烴、環烷烴、芳香烴、烯烴等碳氫化合物組成。采用97#汽油（密度為0.747 g/mL，辛烷值≥97）作為被檢樣品，將水和汽油分別裝于聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）材質的圓柱形瓶中，使用儀器反射式模塊（圖3）對它們分別進行檢測。

圖6 是反射模塊檢測到的太赫茲時域譜經過快速傅里葉變換后得到的水和汽油的太赫茲頻譜。在圖6（a）的水溶液太赫茲頻譜上有明顯規律的吸收峰，而圖6（b）的汽油太赫茲頻譜上，在0.1～1 THz范圍內汽油相對于水溶液的吸收峰少且幅值低，在 1～2 THz范圍內汽油幅值大于水溶液的吸收峰幅值。根據易燃汽油與水溶液在太赫茲頻譜上的區別，可識別出易燃液態汽油。

圖6 瓶裝汽油和水的太赫茲頻譜Fig. 6 Terahertz frequency-domain spectra of bottled gasoline and water

3 結 論

本文針對現有太赫茲波譜儀在易燃易爆危險品檢測中的不足，設計了多組件太赫茲時域波譜儀。以RDX和汽油兩種不同形態易燃易爆危險品為樣品，分別使用多組件太赫茲時域波譜儀進行針對性檢測。檢測結果表明，RDX具有明顯特征吸收峰，汽油和普通的水溶液在頻譜上有明顯區別。因此，根據危險品的太赫茲頻譜特性，可使用多組件太赫茲時域波譜儀準確識別易燃易爆危險品。