基于太赫兹光谱技术的热障涂层厚度测量系统和测量方法与流程

本发明涉及太赫兹波技术领域，特别是涉及一种基于太赫兹时域光谱技术的热障涂层厚度测量系统和测量方法。

背景技术：

热障涂层因其具有良好的耐蚀性和较高的耐热性，在航天、航空、船舶等领域的各种设备和关键零部件上得到了应用，它的应用可以保证设备、关键零部件能够在恶劣的环境下有效地工作，为国民经济和国防部门的各种重要领域提供防护。

因此，需要对涂层厚度以及均匀性准确测量与校准，以确保设备、关键零部件安全有效地工作，避免出现重大事故。目前常见的涂层测厚的方法有超声波测厚、脉冲涡流测厚、射线测厚等，超声波测厚是接触式检测，要求被测试工件表面平滑，但存在检测精度不高，对缺陷无法直观反馈等问题；脉冲涡流检测受材料性质(导电性)和尺寸形状影响较大；射线检测存在射线源防护问题，易对操作人员造成伤害。

近些年，随着太赫兹辐射源和探测手段的技术突破，太赫兹波的应用引起了研究人员的高度重视。太赫兹提供一种非侵入、非接触、非电离的测试技术，可以克服其他非破坏性技术如x射线、超声波、涡流等技术的不足。与目前常用的测量手段相比，太赫兹测量具有独特的优势。

技术实现要素：

为了解决上述问题至少之一，本发明第一方面提供一种基于太赫兹光谱技术的热障涂层厚度测量系统，包括飞秒激光系统、太赫兹波发射器、太赫兹波探测器、时间延迟控制器和信号处理器，其中

所述飞秒激光系统，用于生成超短飞秒脉冲并输出泵浦光和探测光；

所述太赫兹波发射器，经所述泵浦光激发生成太赫兹波，并发射至被测物体；

所述太赫兹波探测器，所述探测光经时间延迟控控制器延迟后进行光电导采样探测，获得所述被测物体的涂层外表面和涂层内表面返回的两个太赫兹波脉冲；

所述处理器，用于根据所述两个太赫兹波脉冲进行数据处理获得时间间隔并计算所述被测物体的涂层厚度。

进一步的，所述飞秒激光系统包括光纤飞秒激光器、色散预补偿模块、空间光-光纤耦合模块和光纤分路器，其中

所述光纤飞秒激光器，用于生成超短飞秒脉冲；

所述色散预补偿模块，用于对所述超短飞秒脉冲进行色散预补偿并反向展宽所述超短飞秒脉冲的脉冲宽度；

所述光-光纤耦合模块，用于将补偿后的所述超短飞秒脉冲耦合入光纤进行传输；

所述光纤分路器，将所述光纤中传输的包含所述超短飞秒脉冲的光束分为泵浦光和探测光。

进一步的，所述色散预补偿模块为平行放置的光栅对。

进一步的，所述太赫兹波发射器包括第一光电导天线和辐射源模块电极，向所述辐射源模块电极两端施加外置偏压交流电场，所述泵浦光经时间延迟控制后激发所述第一光电导天线生成太赫兹波并发射至被测物体；所述第一光电导天线的孔径大于20μm。

进一步的，所述太赫兹波探测器包括第二光电导天线，所述第二光电导天线的孔径小于10μm。

进一步的，所述测量系统为反射式测量系统，所述太赫兹波发射器和太赫兹波探测器位于所述被测物体的同一侧。

进一步的，所述测量系统还包括二维扫描平台，所述太赫兹波探测器固定在所述二维扫描平台，所述二维扫描平台带动所述太赫兹波探测器在所述被测物体的一侧水平移动以测量所述被测物体的各位置的涂层厚度。

本发明第二方面提供一种利用第一方面所述测量系统的测量方法，包括：

生成超短飞秒脉冲并输出泵浦光和探测光；

所述泵浦光激发太赫兹波发射器生成太赫兹波并发射至被测物体；

所述探测光经时间延迟控控制器延迟后进行光电导采样探测，获得所述被测物体的涂层外表面和涂层内表面返回的两个太赫兹波脉冲；

根据所述两个太赫兹波脉冲进行数据处理获得时间间隔并计算所述被测物体的涂层厚度。

进一步的，所述根据所述两个太赫兹波脉冲进行数据处理获得时间间隔并计算所述被测物体的涂层厚度进一步包括：

获得所述被测物体的折射率；

根据所述两个太赫兹波脉冲计算时间间隔；

根据所述被测物体的折射率和时间间隔计算所述被测物体的涂层厚度：

其中c为光速，δt为所述时间间隔，n为被测物体的折射率。

进一步的，所述获得所述被测物体的折射率进一步包括：

假设被测物体的复折射率为则太赫兹波沿z向传播包含时间参数t的电场为：

其中ω为太赫兹波的频率，n为被测物体折射率，k为波尔兹曼常数，e0为电场幅值，c为真空中的光速。

所述电场因所述被测物体对太赫兹波的吸收和色散改变，通过参考厚度为d的被测物体的电场为：

根据菲涅尔方程，太赫兹波在被测物体的两个表面引起反射损耗，导致太赫兹波信号进一步衰减，则需要乘以以下参数：

则所述电场为：

当没有放置被测物体时(n＝1，κ＝0))的所述太赫兹波的电场强度为：

将放置被测物体时的所述太赫兹波的电场强度与参考信号之比为：

其中，为样品信号和参考信号的相位差，a为样品信号和参考信号的振幅之比；

则所述被测物体的折射率为：

其中，n为被测物体的折射率，ω为太赫兹波的频率，c为光速，d为参考厚度。

本发明的有益效果如下：

本发明针对目前现有的厚度绝热层的测量误差大的问题，制定一种基于太赫兹时域光谱技术的热障涂层厚度测量系统和测量方法，通过采用非侵入、非接触、非电离的太赫兹技术，能够准确测量并校准非金属涂层材料的厚度和均匀性，并且具有数据可靠性高、准确度稳定的效果，能够实现快速非接触测量。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出本发明的一个实施例所述热障涂层厚度测量系统的结构示意图；

图2示出本发明的一个实施例所述热障涂层厚度测量系统的结构框图；

图3示出本发明的一个实施例所述飞秒激光系统的结构框图；

图4示出本发明的一个实施例所述太赫兹波发射器的结构框图；

图5示出本发明的另一个实施例所述热障涂层厚度测量系统的结构框图；

图6示出本发明的一个实施例所述热障涂层厚度测量方法的流程图；

图7示出本发明的一个实施例所述厚度测量的流程图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的一个实施例提供了一种基于太赫兹时域光谱技术的热障涂层厚度测量系统，包括飞秒激光系统、太赫兹波发射器、太赫兹波探测器、时间延迟控制器和信号处理器，其中所述飞秒激光系统，用于生成超短飞秒脉冲并输出泵浦光和探测光；所述太赫兹波发射器，经所述泵浦光激发生成太赫兹波，并发射至被测物体；所述太赫兹波探测器，所述探测光经时间延迟控制器延迟后进行光电导采样探测，获得所述被测物体的涂层外表面和涂层内表面返回的两个太赫兹波脉冲；所述处理器，用于根据所述两个太赫兹波脉冲进行数据处理获得时间间隔并计算所述被测物体的涂层厚度。进一步的，考虑到金属基底的被测物，无法通过透射式测量系统进行测量，本实施例中的所述测量系统为反射式测量系统，所述太赫兹波发射器和太赫兹波探测器位于所述被测物体的同一侧。

在一个具体的示例中，如图2所示，本示例提供一种全光纤化的基于太赫兹时域光谱技术的热障涂层厚度测量，包括飞秒激光系统、太赫兹波发射器、太赫兹波探测器、时间延迟控制器和信号处理器。与典型的自由空间太赫兹时域光谱系统不同的是，本示例将空间光转入光纤内传输，能够减少自由空间中多个用于调节光路的光学元件，从而解决自由空间太赫兹时域光谱系统结构复杂的缺陷。

如图3所示，所述飞秒激光系统包括光纤飞秒激光器、色散预补偿模块、空间光-光纤耦合模块和光纤分路器，所述光纤飞秒激光器生成超短飞秒脉冲；由于光纤中的色散作用和抑制非线性效应影响飞秒激光脉冲的传输，为了补偿光纤中产生的正色散作用，所述色散预补偿模块在所述飞秒脉冲耦合进光纤前进行负色散的预补偿，进一步的，所述色散预补偿模块为平行放置的光栅对。即通过平行放置的光栅对对所述超短飞秒脉冲进行色散预补偿并反向展宽所述超短飞秒脉冲的脉冲宽度，再通过所述光-光纤耦合模块(即光纤耦合器)将补偿后的所述超短飞秒脉冲耦合入光纤进行传输，所述预补偿使得飞秒脉冲具有一个负啁啾，在光纤中传输时使得飞秒脉冲的一些频率分量消失，使得频谱变窄并且展宽时间宽度，以实现飞秒脉冲在光纤内部的无展宽、无畸变传输，最后通过光纤分路器，将所述光纤中传输的包含所述超短飞秒脉冲的光束分为泵浦光和探测光。

如图4所示，所述太赫兹波发射器包括第一光电导天线和辐射源模块电极，在所述辐射源模块电极两端施加外置偏压交流电场，所述泵浦光再经过光纤分路器将光束分为两路，其中较小的一路用于功率监控以及脉冲宽度测量，较大的一路经时间延迟控制器延迟控制后激发所述第一光电导天线生成太赫兹波并照射到被测物体。其中所述时间延迟控制器为电控光纤延迟模块。进一步的，所述第一光电导天线为大孔径光电导天线，所述孔径大于20μm。

被测物体接收所述太赫兹波，被测物体的涂层外表面和涂层内表面反射两个太赫兹波脉冲。所述探测光经时间延迟控制器(即光纤延迟线)后通过所述太赫兹波探测器的第二光电导天线对所述反射的太赫兹波脉冲进行采样探测，经电流放大器和锁相放大器后输出至所述处理器。进一步的，所述第二光电导天线为小孔径光电导天线，所述孔径小于10μm。

处理器根据接收的所述两个太赫兹波脉冲进行数据处理获得时间间隔并计算所述被测物体的涂层厚度。即通过所述涂层外表面和涂层内表面反射两个太赫兹波脉冲的时间间隔进行计算以获得被测物体的涂层厚度。

首先，先计算被测物体的材料折射率，所述材料折射率可以通过太赫兹时域光谱系统的反射信号结合菲涅尔反射定律计算，或者通过太赫兹时域光谱系统的透射光谱提前获取。考虑多通过太赫兹时域光谱系统的反射信号结合菲涅尔反射定律计算，容易受到参考信号不确定性及反射面的不均匀性等原因影响测量的精度，进一步的，本实施例中采用太赫兹时域光谱系统的透射光谱提前获取，具体处理过程如下：

假设被测物体的复折射率为则太赫兹波沿z向传播包含时间参数t的电场为：

其中ω为太赫兹波的频率，n为被测物体折射率，k为波尔兹曼常数，e0为电场幅值，c为真空中的光速；

所述电场因所述被测物体对太赫兹波的吸收和色散改变，通过参考厚度为d的被测物体的电场为：

根据菲涅尔方程，太赫兹波在被测物体的两个表面引起反射损耗，导致太赫兹波信号进一步衰减，则需要乘以以下参数：

则所述电场为：

当没有放置被测物体时(n＝1，κ＝0))的所述太赫兹波的电场强度为：

将放置被测物体时的所述太赫兹波的电场强度与参考信号之比为：

则所述被测物体的折射率为：

其中，n为被测物体的折射率，ω为太赫兹波的频率，c为光速，d为参考厚度。至此，计算得到所述被测物体的折射率。

其次，根据所述两个太赫兹波脉冲计算时间间隔δt。

最后，根据所述被测物体的折射率和时间间隔计算所述被测物体的涂层厚度：其中c为光速，δt为所述时间间隔，n为被测物体的折射率。

对于所述涂层较为均匀的被测物体，当采用太赫兹时域光谱系统进行反射式成像检测时，由于被测物体的涂层外表面和涂层内表面的反射，太赫兹波探测器至少可以探测到时间间隔为δt的两个时域回波信号。以理想状态下的正入射为例，δt反映了太赫兹波信号在被测物体中往返传播一次的时间，根据已知被测物体的材料的折射率n，则可以通过上述公式计算被测物体的厚度，从而实现对被测物体的非侵入、非接触、非电离的快速测量。

进一步的，考虑到所述被测物体可能具有非均匀涂层，如图5所示，所述测量系统还包括二维扫描平台，所述太赫兹波探测器固定在所述二维扫描平台，所述二维扫描平台带动所述太赫兹波探测器在所述被测物体的一侧水平移动以测量所述被测物体的各位置的涂层厚度。

与上述实施例提供的测量系统相对应，本申请的一个实施例还提供一种利用上述测量系统的测量方法，由于本申请实施例提供的测量方法与上述几种实施例提供的测量系统相对应，因此在前述实施方式也适用于本实施例提供的测量方法，在本实施例中不再详细描述。

如图6所示，本申请的一个实施例提供一种利用上述测量系统的测量方法，包括：生成超短飞秒脉冲并输出泵浦光和探测光；所述泵浦光激发太赫兹波发射器生成太赫兹波并发射至被测物体；所述探测光经时间延迟控控制器延迟后进行光电导采样探测，获得所述被测物体的涂层外表面和涂层内表面返回的两个太赫兹波脉冲；根据所述两个太赫兹波脉冲进行数据处理获得时间间隔并计算所述被测物体的涂层厚度。

进一步的，如图7所示，所述根据所述两个太赫兹波脉冲进行数据处理获得时间间隔并计算所述被测物体的涂层厚度进一步包括：获得所述被测物体的折射率；根据所述两个太赫兹波脉冲计算时间间隔；根据所述被测物体的折射率和时间间隔计算所述被测物体的涂层厚度：其中c为光速，δt为所述时间间隔，n为被测物体的折射率。

进一步的，所述获得所述被测物体的折射率进一步包括：假设被测物体的复折射率为则太赫兹波沿z向传播包含时间参数t的电场为：

其中ω为太赫兹波的频率，n为被测物体折射率，k为波尔兹曼常数，e0为电场幅值，c为真空中的光速。

所述电场因所述被测物体对太赫兹波的吸收和色散改变，通过参考厚度为d的被测物体的电场为：

根据菲涅尔方程，太赫兹波在被测物体的两个表面引起反射损耗，导致太赫兹波信号进一步衰减，则需要乘以以下参数：

则所述电场为：

当没有放置被测物体时(n＝1，κ＝0))的所述太赫兹波的电场强度为：

将放置被测物体时的所述太赫兹波的电场强度与参考信号之比为：

则所述被测物体的折射率为：

其中，n为被测物体的折射率，ω为太赫兹波的频率，c为光速，d为参考厚度。

本发明针对目前现有的厚度绝热层的测量误差大的问题，制定一种基于太赫兹时域光谱技术的热障涂层厚度测量系统和测量方法，通过采用非侵入、非接触、非电离的太赫兹技术，能够准确测量并校准非金属涂层材料的厚度和均匀性，并且具有数据可靠性高、准确度稳定的效果，能够实现快速非接触测量。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。