太赫兹波时域双折射光谱应力测量原理与方法

太赫兹时域光谱技术具有穿透性好、频带范围宽、相干性高、信躁比高以及脉冲宽度窄等特点，将其用于应力测量具有许多独特优势。如它可用于对可见光不透明的材料，可实现较高的测量精度，易于实现对应力波的测量等。现有研究表明材料的太赫兹光谱中包含了应力场信息。本项目旨在开展太赫兹波时域双折射光谱应力测量原理及方法的研究，着力解决基本物理关系，测量原理和数据处理算法等关键性问题．首先，研究应力对材料太赫兹波折射率的影响，确定基本的力－光物理关系。其次，改进现有太赫兹时域光谱系统的光谱感知模式，建立太赫兹波的应力测试实验系统，并分析太赫兹波在该系统中的传递过程，建立太赫兹双折射光谱的应力测量原理。最后，建立从太赫兹波双折射光谱数据分离和提取应力分量的数据处理方法，并充分利用双折射光谱包含的信息提高应力测量精度。该测试方法充分发挥了太赫兹时域光谱技术的优点，有望成为一种用于应力测量的全新技术。

太赫兹波（THz）是指频率为0.1THz~10THz范围内的电磁波，在电磁波谱上它位于微波和红外之间，它具有脉宽窄、能量低、相干性高、透过性好等优点。太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术被广泛应用到材料无损检测、化学成分鉴定、安全检查等领域，并在实验力学测量领域有着巨大的应用潜力。本课题基于TDS系统对THz应力测量的原理和平面应力测量方法进行了研究，主要包括以下几方面：. 1)改进了现有THz-TDS系统，使其能够产生任意偏振方向的THz波，并能够对产生的THz波进行调制。设计了能够安放在TDS系统中的微型加载装置，使其能够对试件进行加载并对试件内部的应力进行测量。建立了TDS测得相位延迟与试件内部主应力关系的理论模型，并研究了实验操作环节对THz-TDS系统稳定性的影响，确定了适合实验测量的空气湿度，测定了实验所用的PTFE试件弹性模量。根据理论模型，实验验证了THz波段的应力光性效应，结果表明：通过TDS系统测得THz波的折射率与应力近似成线性关系。.通过实验测量了PTFE材料的应力光性系数A和B，提出了基于THz-TDS系统的应力测量原理与方法，建立了由应力引起的相位延迟的测量模式，确定了求解包含相位延迟的非线性方程组的主应力分离方法。根据太赫兹相位差与应力分量、偏振片角度的关系，提出了两种测量试件内部应力的方法。保证实验频率不变，改变偏振片的角度，即多角度单频率法；保证偏振片角度不变，采用多阶频率进行优化，即多频率单角度法。根据实验数据和理论模型，提出了相应的优化方案，获得了TDS系统下的应力分量结果，并将两种方法的数据进行对比分析。. 2)研究外加荷载和频率范围对测量结果的影响。当增大外加应力后，实验测得的太赫兹相位差与频率之间成非线性关系。根据这一特征，我们提出了新的优化方案，利用局部搜索的方法确定了由TDS测量出的应力分量，与电阻应变仪的结果进行对比，实验结果表明：基于TDS系统对PTFE试件进行应力测量的方法是有效的，并且误差控制在6%以下。扩大实验测量的频率范围，发现目标函数有更好的收敛性，能较为准确地收敛到真值。. 3)基于TDS系统的应力测量方法能够对不透明物体的内部应力进行测量，结合二维平移台还可以对试件的应力场进行探测，而且在陶瓷等材料的应力测量领域也有广阔的前景，该方法为测量物体的平面应力状态提供了新的实验手段和技术。