天津大学何明霞教授：主攻太赫兹工业无损检测 多领域推进产业化

在满足目前各种应用需求的前提下，光谱分析仪器和方法也在不断的创新发展中，不论是分子光谱还是原子光谱都涌现了一系列创新的成果，特别是拉曼光谱、近红外光谱、激光诱导击穿光谱、太赫兹、超快光谱、荧光相关光谱、高光谱等相关技术彰显了极具诱惑的市场活力，引领着行业发展的方向。

第十二届光谱网络会议（iCS 2023）中，近50位专家报告充分彰显了光谱创新潜力，纷纷展示了一系列的创新成果：从仪器整机到关键部件；从系统集成到方法开发；从大型科研仪器，到用于现场的便携、手持设备；从实验室检测设备，到过程分析技术……为了更好的展示这些创新成果，同时也进一步加深专家、用户、厂商之间的合作交流，会议主办方特别策划《光谱创新成果“闪耀”iCS2023》网络专题成果展，集中展示本次光谱会凸显的创新成果，包括但不限于仪器、部件、技术、方法、应用等。

天津大学何明霞教授

本次会议中，天津大学何明霞教授分享了《太赫兹科学技术应用近年新进展》（点击回看》》》）引发行业关注。会后，我们也再次邀请何明霞教授分享其团队在太赫兹技术及应用拓展方面的系列研究成果。

1、成果简介

基于太赫兹时域光谱技术的多层非极性复合材料检测系统

太赫兹电磁波介于微波与红外之间（0.1THz -10 THz ），处于电子学与光子学的交叉领域，被誉为人类认识世界的“第三只眼睛”、“改变世界的十大科技”。太赫兹具有光子能量低、穿透性强、指纹谱特征、高信噪比、高分辨率、宽频带、瞬态性等独特优势，近年来在工业无损检测领域发展迅速。太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）是一种新型的脉冲全息光谱技术，可获取物质的折射率、吸收系数、介电系数等多个物理参数信息。相比于红外光谱、拉曼光谱，太赫兹光谱覆盖了生物大分子、有机分子等物质独特的特征谱信息；相比于X射线，太赫兹辐射能量低，对人体安全；相比于超声检测、涡流检测，太赫兹检测为非接触式、穿透性更强，可表征多涂层的信息。利用新型的太赫兹技术进行物质光谱检测分析、无损扫描成像及超薄样品测厚应用，弥补传统检测手段不足之处，完成更高精度、更快速安全的检测。

本团队基于高信噪比、高灵敏度、安全、快速的太赫兹时域光谱技术，开展在非极性电介质材料缺陷探测成像及微米级多涂层测厚领域相关研究。迭代开发智能化工业机器人手臂及协作控制系统，实现对非极性材料内部缺陷三维层析无损扫描成像，对多层的微米级别超薄涂层厚度可进行每单层的精准测量表征。

系统覆盖太赫兹波谱宽度为0.1THz -3THz，太赫兹光纤长度10m，工作重复频率>10Hz；无损扫描成像层数可达3层，平面扫描范围180×180mm，空间机械臂延伸测量半径为1.3m，最快扫描速度500mm/s；涂层测厚层数可达3层，最小测厚值可达10μm，绝对精度2μm；且满足空间、异形曲面移动多点位精准快速无损检测需求,具有全自动处理、高精度测量、多层厚度实时计算等优势，为超薄涂层类复合材料提供更加精准、高效和可靠的测量方式，适用于汽车工业、航空航天、锂电池电极、非金属管道、泡沫塑料等多领域无损检测场景。

2、产业化探索

智能化机器人手臂空间异形曲面无损检测系统在未来是考虑多个领域产业化的，拥有在材料检测、无损探伤、医疗检查，以及文物资料研究等多个领域发展的潜质。太赫兹时域光谱技术本身是一个多领域快速发展的检测技术，其测量方式依赖于平面扫描或者曲面扫描载荷技术，配合样本的空间建模，以完成自动化样本数据有序测量。具体到应用领域，需要根据样品的尺寸、规格以及空间特征，设计低成本、易便携、方便取样的测量装置。比如可以对皮肤表面进行快速扫描成像、对曲面的陶瓷文物信息鉴定等，这些有待合作单位的具体要求。

3、课题组未来研究计划

太赫兹波在电磁波谱中处于电子学向光子学的过渡区，也是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，其具有光子能量低、穿透性强、指纹谱特征等独特优势。太赫兹时域光谱技术利用飞秒脉冲产生并探测时间分辨的THz电场，通过傅立叶变换获得被测物品的光谱信息，检测过程快速、安全、精度高，且光谱具有物质特征峰，在物质鉴别分析、工业无损检测、产线在线质量监测、安检扫描成像等领域应用潜力巨大，弥补传统检测手段的缺陷不足。本研究团队重点主攻方向为太赫兹工业无损检测方向，分析、利用太赫兹时域光谱，建设标准太赫兹光谱数据库，实现物质太赫兹光谱检测分析、微米级多涂层太赫兹精准测厚及材料内部无损探测成像等多方面太赫兹无损检测研究。

4、合作需求

关于非极性材料无损扫描探测成像、物质太赫兹光谱检测分析及超薄涂层测厚方面，涉及生物医药、锂电池电极、半导体、复合材料、文物艺术品等领域检测需求可探索合作研究。

联系方式：曲秋红 15122743715（手机、微信）

附专家及课题组简介

何明霞，博士，天津大学精密仪器与光电子工程学院电子物理学与仪器科学与技术专业教授、博导，首届“中国生物物理学会·太赫兹生物物理分会”副会长兼秘书长、“毫米波·太赫兹产业联盟”太赫兹光谱与检测工作组组长、中国仪器仪表学会图像科学与工程分会秘书长、中国光学学会光电技术专业委员会委员，是“天津大学太赫兹光子学”组建者之一和核心骨干。主要研究方向∶太赫兹光谱技术与成像应用和太赫兹生物效应研究。致力于太赫兹时域光谱技术实用化、多种非极性材料的太赫兹光谱成像无损检测及太赫兹生物医学基础研究，是国内最早将太赫兹光谱技术用于癌症组织、生物组织的研究者。

太赫兹光谱技术与成像应用团队以高信噪比、高灵敏度、宽带、安全、快速的太赫兹时域光谱技术为核心，结合汽车工业、航空航天、管道塑材、生物医药、食品安全等领域实际应用需求，开展物质太赫兹光谱检测分析、太赫兹标准光谱数据库建设、非极性材料无损扫描成像、微米级多涂层系统精准测厚、太赫兹辐射成分鉴定以及实用化技术应用产品开发等研发工作。搭建太赫兹光谱与成像系统应用平台，完成三维层析太赫兹光谱快速扫描成像测厚设备及智能化工业机器人手臂空间异形曲面无损检测系统的开发，适用于各类涂层的微米级厚度测量和材料内部缺陷的无损检测，如汽车车身涂层、锂电池隔膜、锂电池电极、泡沫塑材、非金属管道、生物组织样品等，相关研究成果及产品拥有自主知识产权20余项。团队研发并已投入市场应用的全国产化高灵敏度太赫兹相机，适用于现有多种主流太赫兹源辐射探测，对非极性物质材料成像清晰，可在安检成像领域推广使用。针对太赫兹光谱检测市场需求，正进行应用标准化和实用数据库的工作，建立多类物质的开源太赫兹标准数据库，实现物质太赫兹光谱的定性与定量分析检测。