太赫茲透射譜測量塑料的折射率特性

太赫茲透射譜測量塑料的折射率特性

0聚乙烯和聚乙烯的地球化學(xué)測量近年來，隨著太盧技術(shù)的快速發(fā)展，人們對太盧波透明材料的需求越來越大，但人們對太盧波各種材料的光學(xué)性質(zhì)知之甚少。因此，研究太洛波段的材料，尤其是透射率好的材料，具有重要的實(shí)用價(jià)值。目前,高密度聚乙烯和高阻硅是兩種常用的太赫茲透光材料,但是高阻硅的成本較高且折射率較大,對太赫茲波的反射較強(qiáng).由于相對便宜的其它材料太赫茲透過率比高阻硅還低,目前高阻硅仍為常用的太赫茲透光材料之一.塑料具有較好的透明性、耐磨耗性等優(yōu)點(diǎn),并且加工成本低,因此塑料已成為人們?nèi)粘Ｉ詈蛢x器系統(tǒng)中不可或缺的組成部分,如應(yīng)用在頭盔系統(tǒng)中.聚乙烯(PE)是常用的熱塑性塑料之一,由于生產(chǎn)工藝路線和條件的不同,主要有高密度聚乙烯(HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、線性低密度聚乙烯(LLDPE)和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)四種.聚乙烯的用途廣泛,可用于普遍塑料制品的生產(chǎn).聚丙烯(PP)具有良好的加工性,用途很廣.聚四氟乙烯(PTFE)俗稱塑料王,應(yīng)用于化工、機(jī)械、電器等諸多領(lǐng)域.聚氯乙烯(PVC)具有阻燃及電絕緣性良好等優(yōu)點(diǎn),主要用于塑料門窗型材、管材等.丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)具有剛性好,沖擊強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn).塑料的種類很多,肉眼并不能準(zhǔn)確分清其具體類別,國內(nèi)大多利用紅外光譜檢測塑料的種類.紅外光譜法采用壓片、澆注薄膜或衰減全反射等多種方法獲得光譜圖,可以有效確定聚合物的類型或鑒別所產(chǎn)生的特征峰.華南理工大學(xué)利用近紅外和中紅外光譜技術(shù)鑒別廢舊塑料,能夠?qū)ζ浞N類進(jìn)行識別.但是紅外光譜對于物質(zhì)的低頻信息并不敏感,定量分析時(shí)誤差大.太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)是一種新型的時(shí)間分辨相干探測技術(shù),可以很好地獲得物質(zhì)的低頻信息,因此利用太赫茲光譜技術(shù)檢測塑料在實(shí)際生活中起著重要的作用.國際上,德國小組已經(jīng)用太赫茲時(shí)域光譜在頻率0.1-1THz范圍內(nèi)對聚苯乙烯、加強(qiáng)碾壓的玻璃光纖、聚氯乙烯、聚酰胺6、高密聚乙烯、聚碳酸酯、樹脂玻璃、聚酰胺66的折射率和吸收系數(shù)進(jìn)行了測量并作了對比.德國小組還分析了用太赫茲時(shí)域光譜觀察熱量和形態(tài)對聚乙烯晶格振動模式的影響,發(fā)現(xiàn)降低溫度能使某些晶格振動模式在不同聚乙烯中出現(xiàn)藍(lán)移.另外,法國小組利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)測量了聚合物TPX在0.2～4.2THz頻段的光譜性質(zhì),發(fā)現(xiàn)它們有很強(qiáng)的透射.在國內(nèi),上海應(yīng)用物理所利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)并結(jié)合常規(guī)的電導(dǎo)測量研究了MWNTs/HDPE復(fù)合體系在太赫茲波段的光電性質(zhì).本文利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)(THz-TDS)測量了聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的透射譜,得到了它們在0.2～2.6THz的折射率譜和吸收譜,從而實(shí)現(xiàn)對幾種塑料的無損檢測,同時(shí)也為尋找高的太赫茲透過率塑料襯底提供了依據(jù).1實(shí)驗(yàn)1.1太赫ths法實(shí)驗(yàn)所用樣品是從北京塑料研究所購買的.分別對樣品厚度進(jìn)行測量,高壓低密聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的厚度分別為8.10mm、4.72mm、4.72mm、0.70mm、1.00mm.太赫茲(THz)輻射通常是指介于0.1～10THz之間的電磁波輻射,在電磁波譜中太赫茲波處于紅外和微波之間.這一區(qū)域蘊(yùn)含有物質(zhì)豐富的物理和化學(xué)信息,如凝聚態(tài)物質(zhì)的載流子在此區(qū)域有非常靈敏的響應(yīng).但由于缺乏經(jīng)濟(jì)有效的太赫茲源和檢測設(shè)備,長期以來,太赫茲技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于紅外技術(shù)和微波研究.20世紀(jì)90年代以來,先進(jìn)材料和超快激光技術(shù)的發(fā)展極大地促進(jìn)了太赫茲技術(shù)的發(fā)展.由于太赫茲時(shí)域光譜(THz-TDs)技術(shù)能同時(shí)給出THz光波的振幅和相位信息,因此可直接得到太赫茲頻區(qū)內(nèi)材料的光學(xué)性質(zhì).實(shí)驗(yàn)中采用的THz-TDS系統(tǒng)光路示意圖如圖1,由鈦藍(lán)寶石激光器產(chǎn)生中心波長為800nm,脈寬為100fs,重復(fù)頻率為82MHz的飛秒脈沖激光.在通過偏振分束鏡后分為兩束,一束光作為泵浦光,不改變方向通過電動平移臺經(jīng)透鏡會聚在InAs晶體上,產(chǎn)生THz脈沖,經(jīng)拋物面鏡準(zhǔn)直后會聚到樣品上,這時(shí)帶有樣品信息的THz波再經(jīng)過拋面鏡收集、準(zhǔn)直后聚焦到THz探測晶體ZnTe晶體上;另一束作為探測光,經(jīng)過多次反射后以合適的光程與THz信號共線會合后照射在探測晶體ZnTe上.為了避免水蒸氣對THz的吸收,將THz傳播的光路(圖中虛線框內(nèi))用有機(jī)玻璃罩密封起來并充入氮?dú)?在整個實(shí)驗(yàn)過程中有機(jī)玻璃罩內(nèi)的相對濕度約為3.8%,溫度約為294.8K.1.2光學(xué)參量的計(jì)算THz脈沖透過樣品后其振幅和位相發(fā)生了改變.測量沒有樣品時(shí)的太赫茲信號為參考信號,在放入樣品時(shí)再測量太赫茲樣品信號,對時(shí)域光譜進(jìn)行快速傅里葉變換,得到振幅和位相信息.此時(shí)測出樣品的厚度d,就可以計(jì)算出其折射率n(ω)=Φ(ω)cωd+1(1)n(ω)=Φ(ω)cωd+1(1)樣品折射率與樣品信號和參考信號的位相差Φ(ω)有關(guān),這里ω為角頻率,c為光速.樣品的折射率n(ω)得到后,可以進(jìn)一步計(jì)算它的消光系數(shù)κ(ω)=ln[4n(ω)ρ(ω)[n(ω)+1]2]cωd(2)κ(ω)=ln[4n(ω)ρ(ω)[n(ω)+1]2]cωd(2)和吸收系數(shù)α(ω)=2κ(ω)ωc=2dln[4n(ω)ρ(ω)[n(ω)+1]2](3)α(ω)=2κ(ω)ωc=2dln[4n(ω)ρ(ω)[n(ω)+1]2](3)式中ρ(ω)為樣品信號與參考信號振幅之比.利用光學(xué)參量之間的關(guān)系,還可以計(jì)算其它的光學(xué)參量.1.3光學(xué)參量的計(jì)算圖2為五種塑料的THz時(shí)域光譜,由于THz波在樣品中的折射率大于在氮?dú)庵械恼凵渎?所以樣品信號相對于參考信號在時(shí)間上有延遲,同時(shí)樣品對THz信號有吸收,這樣通過樣品后,信號的振幅也有一定的衰減.圖3是經(jīng)過快速傅里葉變換后得到的頻域譜.利用式(1)～(3),可以計(jì)算出樣品的有關(guān)光學(xué)參量.圖4是五種塑料的折射率譜,從圖中可見不同塑料的折射率有著明顯的區(qū)別,圖5是五種塑料的吸收譜.2材料的選擇ths從圖4的折射率譜中看出幾種塑料的折射率在1.35～1.85之間,并且有很明顯的區(qū)別.其中聚氯乙烯的折射率譜的有效范圍是0.2～2.3THz,這是因?yàn)樘掌澬盘柾ㄟ^聚氯乙烯,在2.3THz以后振幅衰減到0所致.其中聚四氟乙烯折射率最小,聚氯乙烯折射率最大,進(jìn)而可以通過折射率譜鑒別塑料的種類.從圖5的吸收譜中發(fā)現(xiàn)聚氯乙烯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的吸收系數(shù)很大,透射很小.如果樣品放在以上兩種塑料的上面,不能使太赫茲信號更多地透過樣品,因此聚氯乙烯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯不適合做樣品的襯底材料.而聚乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯的吸收范圍很小,吸收系數(shù)分別在0-2、0-2和0-3.5之間,所以我們一般選用聚乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯作為襯底材料,從而使太赫茲信號透過樣品,以便獲取樣品的相關(guān)信息.3材料的選擇應(yīng)用本文應(yīng)用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)獲得了聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的透射譜,從實(shí)驗(yàn)中看出五種塑料的折射率差別較大,通過折射率譜可以