基于太赫兹时域光谱技术的钢材锈蚀产物光学参数测量及特征识别

作     者：江雪雷 李恩恩 许颖 王天武 谢雯羽 Jiang Xuelei;Li Enen;Xu Ying;Wang Tianwu;Xie Wenyu

作者机构：哈尔滨工业大学(深圳)深圳市土木工程智能结构系统重点实验室广东深圳518055 哈尔滨工业大学(深圳)深圳市城市与土木工程防灾减灾重点实验室广东深圳518055 中国科学院空天信息创新研究院北京100094 中国科学院电磁辐射与探测技术重点实验室北京100190 中国科学院大学电子电气与通信工程学院北京100049 广东大湾区空天信息研究院广东广州510700 

出 版 物：《光学学报》 (Acta Optica Sinica)

年 卷 期：2023年第43卷第11期

页      面：54-62页

核心收录：

学科分类：0808[工学-电气工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 07[理学] 070302[理学-分析化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 0702[理学-物理学] 

基　　金：国家自然科学基金(51778191,52078173,61988102) 深圳市重点实验室筹建启动项目(ZDSYS20200810113601005) 

主　　题：太赫兹光谱 锈蚀 光学参数 特征吸收峰 

摘      要：锈蚀对钢材料(如钢筋,钢板等)的强度和耐久性具有较大的影响。研究发现在钢材锈蚀过程中产生的一些铁的氧化物能够与太赫兹(THz)电磁波表现出吸收共振。为了探究钢材锈蚀产物的光学参数并实现其特征识别,首先通过太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统测定了不同种类的锈蚀产物样品以及样品中的主要组分Fe_(3)O_(4),Fe_(2)O_(3),α-FeOOH的THz透射信号。在有效测定频率0~1.2 THz范围内,不同锈蚀产物混合物样品的折射率分布在2.7~3.4之间,组分晶体Fe_(3)O_(4)、Fe_(2)O_(3)、α-FeOOH的折射率分别为4.0、2.7、2.2。锈蚀产物混合物中Fe_(3)O_(4)的含量对光学参数,如吸收系数、折射率等的影响较大。然后,搭建了基于双色场的超宽带THz-TDS系统,进一步扩大THz的有效测定范围至0~10 THz,从而实现了对锈蚀产物的特征识别。在0~10 THz范围内,Fe_(3)O_(4)不存在特征吸收峰,Fe_(2)O_(3)的特征吸收峰位置为3.4、4.2、4.85、5.8 THz,α-FeOOH的特征吸收峰位置为3.6、4.05、5、5.45 THz。同时,对不同锈蚀产物样品的宽频THz吸收谱进行分析,能够实现Fe_(2)O_(3)和α-FeOOH的特征识别。研究结果表明,Fe_(2)O_(3)和α-FeOOH的特征吸收峰可以作为是否发生锈蚀的依据,该结果为THz技术在钢材锈蚀无损检测方面的应用奠定了基础。